JP2015050134A - Membrane electrode assembly for fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2015050134A
JP2015050134A JP2013182790A JP2013182790A JP2015050134A JP 2015050134 A JP2015050134 A JP 2015050134A JP 2013182790 A JP2013182790 A JP 2013182790A JP 2013182790 A JP2013182790 A JP 2013182790A JP 2015050134 A JP2015050134 A JP 2015050134A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
gas diffusion
anode
cathode
diffusion layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013182790A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
暁 村川
Akira Murakawa
暁 村川
振 郭
Shin Kaku
振 郭
年坊 万
Nianfeng Wan
年坊 万
健太 奥
Kenta Oku
健太 奥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujikura Ltd filed Critical Fujikura Ltd
Priority to JP2013182790A priority Critical patent/JP2015050134A/en
Publication of JP2015050134A publication Critical patent/JP2015050134A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly for a fuel cell in which peeling of a diffusion layer and decrease in a power generation amount can be suppressed.SOLUTION: A membrane electrode assembly 11 for a fuel cell comprises: a polymer electrolyte membrane 111; an anode catalyst layer 112 and a cathode catalyst layer 113; an anode gas diffusion layer 114 of which an external marginal is matched with an external marginal of the anode catalyst layer; a cathode gas diffusion layer 115 of which an external marginal is matched with an external marginal of the cathode catalyst layer; and frame-like reinforcement layers 116, 117 which are arranged so that an internal marginal part of the reinforcement layer overlaps at least one of an external marginal part on the anode gas diffusion layer and an external marginal part on the cathode gas diffusion layer. An area Soverlapping between the internal marginal part of the reinforcement layer and the external marginal part of the anode gas diffusion layer or the cathode gas diffusion layer is 3%-12% of the power generation area S.

Description

本発明は、燃料電池の膜電極接合体に関するものである。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell.

電解質膜及びこの電解質膜の両面に形成された触媒層を含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に形成されたガス拡散層とを含む燃料電池において、膜電極接合体の周縁部の機械的強度を補強するために、膜電極接合体の周縁部とガス拡散層との間に額縁状補強フィルムを挟持し、触媒層と補強フィルムとを接着性ポリマーで接着したものが知られている(特許文献1)。   In a fuel cell including an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly including a catalyst layer formed on both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer formed on both sides of the membrane electrode assembly, a peripheral portion of the membrane electrode assembly is provided. In order to reinforce the mechanical strength, a frame-shaped reinforcing film is sandwiched between the periphery of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer, and the catalyst layer and the reinforcing film are bonded with an adhesive polymer. (Patent Document 1).

特開2010−80112号公報JP 2010-80112 A

しかしながら、上記従来技術のように膜電極接合体の周縁部とガス拡散層との間に額縁状補強フィルムを挟持すると、ガス拡散層の外周端部に補強フィルムの段差が生じるためガス拡散層の外周端部が剥がれるおそれがある。   However, when the frame-shaped reinforcing film is sandwiched between the peripheral edge portion of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer as in the above-described prior art, a step of the reinforcing film is generated at the outer peripheral end portion of the gas diffusion layer. There is a risk that the outer peripheral edge may peel off.

本発明が解決しようとする課題は、拡散層の剥がれと発電量の低下を抑制できる燃料電池用膜電極接合体を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell that can suppress peeling of the diffusion layer and a decrease in the amount of power generation.

本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第1主面及び第2主面のそれぞれに設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該アノード触媒層上に外縁が揃うように設けられたアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該カソード触媒層上に外縁が揃うように設けられたカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層上の外縁部又は前記カソードガス拡散層上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層と、を備える燃料電池用膜電極接合体において、前記補強層の内縁部と前記アノードガス拡散層上または前記カソードガス拡散層上の外縁部との重なる面積が、発電面積に対して3%〜12%である燃料電池用膜電極接合体によって上記課題を解決する。   The present invention provides a polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on each of the first main surface and the second main surface of the polymer electrolyte membrane, and the same outer edge shape as the anode catalyst layer An anode gas diffusion layer provided on the anode catalyst layer so that the outer edge is aligned, and a cathode gas formed in the same outer edge shape as the cathode catalyst layer and provided so that the outer edge is aligned on the cathode catalyst layer A fuel cell comprising: a diffusion layer; and a frame-shaped reinforcing layer provided so that the inner edge overlaps at least one of the outer edge on the anode gas diffusion layer or the outer edge on the cathode gas diffusion layer In the membrane electrode assembly, the overlapping area of the inner edge of the reinforcing layer and the outer edge of the anode gas diffusion layer or the cathode gas diffusion layer is 3% to 12% with respect to the power generation area. To solve the above problems by a fuel cell membrane electrode assembly.

上記発明において、前記補強層の厚さが12.5μm〜125μmであることが好ましい。また、前記補強層を前記アノードガス拡散層上の外縁部及び前記カソードガス拡散層上の外縁部の両方にそれぞれ設けることが好ましい。   In the above invention, the thickness of the reinforcing layer is preferably 12.5 μm to 125 μm. The reinforcing layer is preferably provided on both the outer edge portion on the anode gas diffusion layer and the outer edge portion on the cathode gas diffusion layer.

本発明によれば、補強層の内縁部とガス拡散層の外縁部との重なる面積が発電面積に対して3%以上あるので、補強層の内縁部によってガス拡散層の外縁部を充分に押さえて支持することができ、これによりガス拡散層の外縁部からの剥がれを抑制することができる。一方において、補強層の内縁部とガス拡散層の外縁部との重なる面積が発電面積に対して12%以下であるので、補強層の内縁部によってガス拡散層の外縁部を覆っても、ガス拡散層の外縁部の近傍に供給された燃料は外縁に向かって十分に廻り込み、これにより発電量の低下を抑制することができる。   According to the present invention, since the overlapping area between the inner edge of the reinforcing layer and the outer edge of the gas diffusion layer is 3% or more with respect to the power generation area, the outer edge of the gas diffusion layer is sufficiently suppressed by the inner edge of the reinforcing layer. Thus, peeling from the outer edge portion of the gas diffusion layer can be suppressed. On the other hand, since the area where the inner edge of the reinforcing layer overlaps with the outer edge of the gas diffusion layer is 12% or less of the power generation area, even if the outer edge of the gas diffusion layer is covered by the inner edge of the reinforcing layer, the gas The fuel supplied in the vicinity of the outer edge portion of the diffusion layer sufficiently circulates toward the outer edge, thereby suppressing a decrease in power generation amount.

本発明の一実施の形態に係る膜電極接合体を適用した燃料電池を示す一部分解断面図である。1 is a partially exploded sectional view showing a fuel cell to which a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention is applied. 図1の膜電極接合体を示す拡大断面図及び平面図である。It is an expanded sectional view and a top view which show the membrane electrode assembly of FIG. 図1の膜電極接合体の製造方法の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of the membrane electrode assembly of FIG.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の一実施の形態に係る燃料電池1は、メタノールを燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)であり、膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)11と、膜電極接合体11を挟む板状のアノードセパレータ14およびカソードセパレータ15と、アノードセパレータ14の外側の表面に設けられたアノード集電体12及びカソードセパレータ15の外側の表面に設けられたカソード集電体13と、アノードセパレータ14の内側に設けられたガスケット18及びカソードセパレータ15の内側に設けられたガスケット19と、を備える。なお、図1は、膜電極接合体11を挟んで組み立てる前の状態のアノードセパレータ14及びカソードセパレータ15を示し、この状態からアノードセパレータ14とカソードセパレータ15が膜電極接合体11を挟んだ状態で組み付けられる。また図1は単電池の構成を示すが、要求起電力に応じてこの単電池を複数積層した燃料電池を構成してもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention is a direct methanol fuel cell (DMFC) that generates electricity using methanol as a fuel, and includes a membrane-electrode assembly (MEA) 11 and The plate-like anode separator 14 and cathode separator 15 sandwiching the membrane electrode assembly 11, the anode current collector 12 provided on the outer surface of the anode separator 14, and the cathode current collector provided on the outer surface of the cathode separator 15 An electric body 13 and a gasket 18 provided inside the anode separator 14 and a gasket 19 provided inside the cathode separator 15 are provided. FIG. 1 shows the anode separator 14 and the cathode separator 15 in a state before being assembled with the membrane electrode assembly 11 interposed therebetween. From this state, the anode separator 14 and the cathode separator 15 sandwich the membrane electrode assembly 11. Assembled. 1 shows the configuration of the unit cell, a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked may be configured in accordance with the required electromotive force.

本例の膜電極接合体11は、水素イオン(陽イオン)伝導性を有する高分子電解質膜111と、アノード触媒層112と、カソード触媒層113と、アノードガス拡散層114と、カソードガス拡散層115とを含む。アノード触媒層112とアノードガス拡散層114がアノード(燃料極)を構成し、カソード触媒層113とカソードガス拡散層115がカソード(空気極)を構成する。   The membrane electrode assembly 11 of this example includes a polymer electrolyte membrane 111 having hydrogen ion (cation) conductivity, an anode catalyst layer 112, a cathode catalyst layer 113, an anode gas diffusion layer 114, and a cathode gas diffusion layer. 115. The anode catalyst layer 112 and the anode gas diffusion layer 114 constitute an anode (fuel electrode), and the cathode catalyst layer 113 and the cathode gas diffusion layer 115 constitute a cathode (air electrode).

高分子電解質膜111は、矩形、円形、楕円形、多角形など燃料電池の外形形状に応じた適宜の形状とされ、アノード触媒層112及びカソード触媒層113は、高分子電解質膜111の外縁より小さい外縁を有する、矩形、円形、楕円形、多角形など適宜の形状とされている。また本例のアノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115は、図1,2に示すように、それぞれアノード触媒層112及びカソード触媒層113の各外縁形状と同じ外縁形状とされ、アノード触媒層112とアノードガス拡散層114は互いの外縁が揃うように積層され、同様にカソード触媒層113とカソードガス拡散層115は互いの外縁が揃うように積層されている。   The polymer electrolyte membrane 111 has an appropriate shape according to the outer shape of the fuel cell, such as a rectangle, a circle, an ellipse, or a polygon. The anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are formed from the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111. It has an appropriate shape such as a rectangle, a circle, an ellipse, or a polygon having a small outer edge. In addition, the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 of this example have the same outer edge shape as the outer edge shapes of the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113, respectively, as shown in FIGS. 112 and the anode gas diffusion layer 114 are stacked so that their outer edges are aligned, and similarly, the cathode catalyst layer 113 and the cathode gas diffusion layer 115 are stacked so that their outer edges are aligned.

高分子電解質膜111としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜、例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(商品名,登録商標)、旭硝子(株)社製のFlemion(商品名,登録商標)などを使用することができる。高分子電解質膜111の厚さは特に限定されないが、通常25〜250μmである。   The polymer electrolyte membrane 111 is not particularly limited, and a polymer electrolyte membrane mounted on a normal polymer electrolyte fuel cell can be used. For example, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid, for example, Nafion (trade name, registered trademark) manufactured by DuPont, USA, Aciplex (trade name, registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, manufactured by Asahi Glass Flemion (trade name, registered trademark) or the like can be used. The thickness of the polymer electrolyte membrane 111 is not particularly limited, but is usually 25 to 250 μm.

アノード触媒層112およびカソード触媒層113は、例えば白金系の金属触媒などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子(カーボン粉末)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。これらアノード触媒層112およびカソード触媒層113の厚さは特に限定されないが、通常5〜50μmである。   The anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are made of, for example, an electrode catalyst such as a platinum-based metal catalyst, conductive carbon particles (carbon powder) carrying the electrode catalyst, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity. It is configured. The thicknesses of the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are not particularly limited, but are usually 5 to 50 μm.

アノード触媒層112およびカソード触媒層113における担体である導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。   As the conductive carbon particles which are carriers in the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113, it is preferable to use a carbon material having conductive pores, such as carbon black, activated carbon, carbon fiber and carbon tube. Can be used. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Activated carbon can be obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms.

アノード触媒層112およびカソード触媒層113における電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される1種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。特にアノード触媒層112にあっては、中間生成物である一酸化炭素が白金触媒を被毒する問題があるため、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが望ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノード側とカソード側に同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。   As an electrode catalyst in the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113, it is preferable to use platinum or a platinum alloy. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, and tin. An alloy of platinum and one or more metals selected from the group is preferably used. In particular, in the anode catalyst layer 112, there is a problem that carbon monoxide as an intermediate product poisons the platinum catalyst. Therefore, it is preferable that the anode catalyst layer 112 contains ruthenium or the like having carbon monoxide resistance. The platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and the metal. Furthermore, an electrode catalyst mixture obtained by mixing an electrode catalyst made of platinum and an electrode catalyst made of a platinum alloy may be used, or the same electrode catalyst may be used on the anode side and the cathode side, or different electrode catalysts may be used. .

アノード触媒層112およびカソード触媒層113に含有されて、上記触媒担持粒子に付着させる上記高分子電解質としては、高分子電解質膜111を構成する高分子電解質を用いることができる。アノード触媒層112およびカソード触媒層113ならびに高分子電解質膜111を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。例えば、上述した米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(商品名,登録商標)、旭硝子(株)社製のFlemion(商品名,登録商標)などを使用することができる。   As the polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 and attached to the catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 111 can be used. The polymer electrolyte constituting the anode catalyst layer 112, the cathode catalyst layer 113, and the polymer electrolyte membrane 111 may be of the same type or different types. For example, Nafion (trade name, registered trademark) manufactured by DuPont, Inc., Aciplex (trade name, registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Flemion (trade name, registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., etc. Can be used.

アノード触媒層112およびカソード触媒層113における高分子電解質は、触媒担持粒子を被覆し、3次元に水素イオン伝導経路を確保するために、アノード触媒層112およびカソード触媒層113を構成する触媒担持粒子の質量に比例した量で、アノード触媒層112およびカソード触媒層113に含まれていることが好ましい。具体的には、アノード触媒層112およびカソード触媒層113に含まれる高分子電解質の質量は、触媒担持粒子質量に対して0.2倍以上、2.0倍以下であることが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように高分子電解質の質量が0.2倍以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保でき、2.0倍以下であると、フラッディングの回避が可能であり、より高い電池出力を実現することができる。   The polymer electrolyte in the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 covers the catalyst-supported particles, and the catalyst-supported particles constituting the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 in order to secure a three-dimensional hydrogen ion conduction path. The anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are preferably contained in an amount proportional to the mass of the catalyst. Specifically, the mass of the polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 is desirably 0.2 times or more and 2.0 times or less with respect to the mass of the catalyst-carrying particles. Within this range, high battery output can be obtained. As described above, if the mass of the polymer electrolyte is 0.2 times or more, sufficient hydrogen ion conductivity can be ensured, and if it is 2.0 times or less, flooding can be avoided, resulting in higher battery output. Can be realized.

アノードガス拡散層114およびカソードガス拡散層115は、それぞれアノード触媒層112およびカソード触媒層113の上側に配置され、アノードセパレータ14およびカソードセパレータ15のアノード流路16及びカソード流路17から流入したメタノールや酸素(空気)をアノード触媒層112およびカソード触媒層113効率よく導く機能と導電性があれば特に限定されず、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層114,115を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料(高分子)を上記基材の内部に分散させて、上記基材は撥水処理を施してもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。アノードガス拡散層114およびカソードガス拡散層115の厚さは特に限定されないが、通常100〜500μmである。   The anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 are disposed above the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113, respectively, and methanol flowing in from the anode channel 16 and the cathode channel 17 of the anode separator 14 and the cathode separator 15 The anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 and the cathode catalyst layer 113 are not particularly limited as long as they have a function and conductivity that efficiently guide them, and various gas diffusion layers known in the art can be used. As the base material constituting these gas diffusion layers 114 and 115, in order to provide gas permeability, carbon fine powder having a developed structure structure, pore former, carbon paper, carbon cloth, or the like is used. In addition, a conductive porous substrate can be used. In order to improve drainage, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetra A water repellent material (polymer) typified by a fluororesin such as fluoroethylene / ethylene copolymer (ETFE) may be dispersed inside the base material, and the base material may be subjected to a water repellent treatment. Furthermore, in order to give electronic conductivity, you may comprise the said base material with electronic conductive materials, such as a carbon fiber, a metal fiber, or a carbon fine powder. The same gas diffusion layer or different gas diffusion layers may be used on the cathode side and the anode side. The thickness of the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 is not particularly limited, but is usually 100 to 500 μm.

一対のアノードセパレータ14およびカソードセパレータ15は、膜電極接合体11の外形形状に応じた適宜の外形形状とされ、膜電極接合体11の外側に配置されて、膜電極接合体11を機械的に固定するための導電性を有する部材である。アノードセパレータ14のうちの膜電極接合体11と接触する面には、アノードに燃料であるメタノールを供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのアノード流路16が形成され、同様に、カソードセパレータ15のうちの膜電極接合体11と接触する面には、カソードに酸素(空気)を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのカソード流路17が形成されている。   The pair of anode separator 14 and cathode separator 15 has an appropriate outer shape corresponding to the outer shape of the membrane electrode assembly 11, and is disposed outside the membrane electrode assembly 11 to mechanically connect the membrane electrode assembly 11. It is a member having conductivity for fixing. The surface of the anode separator 14 that is in contact with the membrane electrode assembly 11 is supplied with methanol as a fuel to the anode to carry away the electrode reaction product and the substance containing unreacted methanol from the reaction field to the outside. Similarly, the anode channel 16 is formed, and the surface of the cathode separator 15 in contact with the membrane electrode assembly 11 is supplied with oxygen (air) to the cathode, and contains an electrode reaction product and unreacted methanol. A cathode channel 17 is formed to carry the substance from the reaction field to the outside.

こうしたアノード流路16およびカソード流路17は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ14およびカソードセパレータ15の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路16およびカソード流路17は、例えば複数の直線状溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。   Although not shown, the anode channel 16 and the cathode channel 17 are formed by providing grooves on the surfaces of the anode separator 14 and the cathode separator 15, respectively, by a conventional method. Although not particularly limited, the anode flow channel 16 and the cathode flow channel 17 are constituted by, for example, a plurality of linear groove portions and a plurality of turn-shaped groove portions that connect adjacent linear groove portions from upstream to downstream. It has a serpentine shape.

ガスケット18,19は、アノードセパレータ14及びカソードセパレータ15の外形形状に応じた形状とされ、枠状(額縁状)又は環状であり、単電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、それぞれアノードおよびカソード(特にアノードガス拡散層114およびカソードガス拡散層115)の周囲に配置される。図1に示すように、ガスケット18の内縁は、アノード触媒層112の外縁及びアノードガス拡散層114の外縁より外側であって、高分子電解質膜111の外縁より内側に位置する大きさとされている。同様にガスケット19の内縁は、カソード触媒層113の外縁及びカソードガス拡散層115の外縁より外側であって、高分子電解質膜111の外縁より内側に位置する大きさとされている。ガスケット18,19の内縁部がガス拡散層114,115に重なると、その部分のみ過大な厚さになり、燃料漏れの原因となるからである。またガスケット18,19の内縁が高分子電解質膜111より外側であると、厚さが足りずに燃料漏れの原因となるからである。このようなガスケット18,19としては、ゴムなどの当該分野で公知のものを用いることができる。   The gaskets 18 and 19 have a shape corresponding to the outer shape of the anode separator 14 and the cathode separator 15 and have a frame shape (frame shape) or an annular shape. The fuel gas and the oxidant gas supplied to the unit cell are connected to the outside. In order to prevent leakage and mixing, they are arranged around the anode and the cathode (in particular, the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115), respectively. As shown in FIG. 1, the inner edge of the gasket 18 is sized outside the outer edge of the anode catalyst layer 112 and the outer edge of the anode gas diffusion layer 114 and inside the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111. . Similarly, the inner edge of the gasket 19 is sized outside the outer edge of the cathode catalyst layer 113 and the outer edge of the cathode gas diffusion layer 115 and inside the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111. This is because if the inner edge portions of the gaskets 18 and 19 overlap with the gas diffusion layers 114 and 115, only those portions become excessively thick and cause fuel leakage. Further, if the inner edges of the gaskets 18 and 19 are outside the polymer electrolyte membrane 111, the thickness is insufficient and fuel leakage occurs. As such gaskets 18 and 19, those known in the art such as rubber can be used.

アノード集電体12及びカソード集電体13としては、導電性を有する、たとえば厚さ1〜3mmの金属板(銅板など)に3〜4μmの金コーティングが施されたものを用いることができる。アノード集電体12は導電性を有するアノードセパレータ14の外側の表面に設けられ、カソード集電体13は導電性を有するカソードセパレータ15の外側の表面に設けられる。なお、燃料電池1の組立完成状態において、アノード集電体12は電力負荷の陰極(マイナス)に接続され、カソード集電体13は電力負荷の陽極(プラス)に接続されて燃料電池1からの電力が電力負荷に供給される。   As the anode current collector 12 and the cathode current collector 13, a conductive metal plate having a thickness of 1 to 3 mm, for example, a metal plate (such as a copper plate) coated with 3 to 4 μm of gold can be used. The anode current collector 12 is provided on the outer surface of the conductive anode separator 14, and the cathode current collector 13 is provided on the outer surface of the conductive cathode separator 15. In the assembled state of the fuel cell 1, the anode current collector 12 is connected to the cathode (minus) of the power load, and the cathode current collector 13 is connected to the anode (plus) of the power load. Power is supplied to the power load.

以上のように構成された燃料電池1において、上述したアノードセパレータ14のアノード流路16入口にメタノールを供給し、カソードセパレータ15のカソード流路17の入口に空気を供給すると、アノードにおいては、
[数1]
CHOH+HO→CO+6H+6e
という酸化反応が生じ、カソードにおいては、
[数2]
1/2O+6H+6e→3H
という還元反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に電流が流れることになる。
In the fuel cell 1 configured as described above, when methanol is supplied to the inlet of the anode channel 16 of the anode separator 14 and air is supplied to the inlet of the cathode channel 17 of the cathode separator 15,
[Equation 1]
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Oxidation reaction occurs, and at the cathode,
[Equation 2]
1 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
The reduction reaction occurs. As a result, a current flows between the anode and the cathode.

さて、本例の膜電極接合体11は、膜電極接合体11の機械的強度を高めるために、アノードガス拡散層114の上面の外縁部に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第1補強層116を有し、カソードガス拡散層115の上面の外縁部に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第2補強層117を有する。なお、膜電極接合体11の機械的強度を高めるためには第1補強層116及び第2補強層117の両方を備えることが好ましいが、本発明の膜電極接合体としては少なくともいずれか一方を備えればよい。   Now, in order to increase the mechanical strength of the membrane electrode assembly 11, the membrane electrode assembly 11 of this example has a frame shape provided so that the inner edge portion overlaps the outer edge portion of the upper surface of the anode gas diffusion layer 114. The frame-shaped second reinforcing layer 117 is provided on the outer edge portion of the upper surface of the cathode gas diffusion layer 115 so as to overlap the inner edge portion. In order to increase the mechanical strength of the membrane electrode assembly 11, it is preferable to provide both the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117, but at least one of the membrane electrode assemblies of the present invention is provided. You should prepare.

本例の第1補強層116及び第2補強層117は、所望の剛性を有する材料であれば特に限定されない。たとえばポリエチレンテレフタレートPET、ポリエチレンナフタレートPEN、ポリテトラフルオロエチレンPTFEなどからなるフィルムを用いることができるが、耐熱性、剛性、コスト、接着性などの総合的観点からポリエチレンテレフタレートPET、ポリエチレンナフタレートPENを用いることがより好ましい。   The first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 in this example are not particularly limited as long as they have a desired rigidity. For example, a film made of polyethylene terephthalate PET, polyethylene naphthalate PEN, polytetrafluoroethylene PTFE, etc. can be used. More preferably, it is used.

本例の第1補強層116及び第2補強層117の一主面(図1,2の互いに対向する主面)には、接着剤が塗布されている。この接着剤としては、高分子電解質膜111及びガス拡散層114,115との間において、ホットプレス機などを用いた加熱加圧による接着が可能であり、且つ燃料電池1の作動温度範囲において接着性が確保できるものであれば特に限定されない。たとえば、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂を主成分とする接着剤を用いることができる。なお、後述するとおり第1補強層116及び第2補強層117は、接着剤の反応温度にて熱プレスにより接着されるため、接着剤の反応温度よりも高い融点を有する材料であることが必要とされる。   An adhesive is applied to one main surface (the main surfaces opposite to each other in FIGS. 1 and 2) of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 of this example. As this adhesive, it is possible to bond between the polymer electrolyte membrane 111 and the gas diffusion layers 114 and 115 by heating and pressing using a hot press machine or the like, and in the operating temperature range of the fuel cell 1. There is no particular limitation as long as the property can be secured. For example, an adhesive mainly composed of an acrylic resin or a urethane resin can be used. As will be described later, since the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 are bonded by hot pressing at the reaction temperature of the adhesive, it is necessary to be a material having a melting point higher than the reaction temperature of the adhesive. It is said.

特に本例の額縁状第1補強層116は、その内縁部116Aがアノードガス拡散層114の外縁部114Aに重なるように積層され、これら重なり合った面積Sが、発電面積Sに対して3%〜12%(=S/S)となるように設けられている。同様に、額縁状第2補強層117は、その内縁部117Aがカソードガス拡散層115の外縁部115Aに重なるように積層され、これら重なり合った面積Sが、発電面積Sに対して3%〜12%(=S/S)となるように設けられている。第1補強層116とアノードガス拡散層114との重なり条件と、第2補強層117とカソードガス拡散層115との重なり条件は同じであるため、第1補強層116とアノードガス拡散層114との関係を、図2を参照しながら説明する。 In particular the frame-shaped first reinforcing layer 116 of the present embodiment, the inner edge 116A are stacked so as to overlap the outer edge portion 114A of the anode gas diffusion layer 114, these overlapped area S 1 is, 3 to the generator area S 0 % To 12% (= S 1 / S 0 ). Similarly, a frame shape second reinforcing layer 117 has its inner edge 117A are stacked so as to overlap the outer edge portion 115A of the cathode gas diffusion layer 115, these overlapped area S 1 is 3% with respect to the power generation area S 0 It is provided to be ˜12% (= S 1 / S 0 ). Since the overlapping condition between the first reinforcing layer 116 and the anode gas diffusion layer 114 and the overlapping condition between the second reinforcing layer 117 and the cathode gas diffusion layer 115 are the same, the first reinforcing layer 116 and the anode gas diffusion layer 114 The relationship will be described with reference to FIG.

本例にいう発電面積とは、既述したアノードにおける酸化反応とカソードにおける還元反応が有効に生じ得る面積であり、アノード触媒層112及びカソード触媒層113それぞれの面積である。これに対して、第1補強層116の内縁部116Aとアノードガス拡散層114の外縁部114Aとが重なり合った面積Sとは、図2の下図(平面図)に示すように、アノードガス拡散層114の面積Sから第1補強層116の内縁が構成する矩形状開口部の面積Sを減算した面積(S=S−S)である。 The power generation area referred to in this example is an area where the oxidation reaction at the anode and the reduction reaction at the cathode described above can occur effectively, and are the areas of the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113, respectively. In contrast, the area S 1 of the outer edge portion 114A are overlapped inner edge 116A and the anode gas diffusion layer 114 of the first reinforcing layer 116, as shown in the lower part of FIG. 2 (plan view), an anode gas diffusion This is an area (S 1 = S 2 −S 3 ) obtained by subtracting the area S 3 of the rectangular opening formed by the inner edge of the first reinforcing layer 116 from the area S 2 of the layer 114.

本例の膜電極接合体11のように、アノードガス拡散層114の上面に第1補強層116を重ねると当該アノードガス拡散層114の外縁からの剥がれが抑制される一方、アノードガス拡散層114の外縁部114Aの上面が第1補強層116にて覆われるため見かけ上の発電面積Sが減少することになる。しかしながら、アノードガス拡散層114の外縁部114Aに導入されたメタノールや酸素は当該アノードガス拡散層114の拡散作用によってアノード触媒層112の外縁まで廻り込んで到達するので、本発明者らはこの重なり面積を適切な値に設定することでアノードガス拡散層114の剥がれ防止と発電量低下防止の両立を図れることを知見した。 As in the membrane electrode assembly 11 of this example, when the first reinforcing layer 116 is overlaid on the upper surface of the anode gas diffusion layer 114, peeling from the outer edge of the anode gas diffusion layer 114 is suppressed, while the anode gas diffusion layer 114. upper surface of the outer edge portion 114A is that the power generation area S 0 of the apparent order to be covered with the first reinforcing layer 116 is reduced in. However, since the methanol and oxygen introduced into the outer edge portion 114A of the anode gas diffusion layer 114 reach and reach the outer edge of the anode catalyst layer 112 by the diffusion action of the anode gas diffusion layer 114, the present inventors have made this overlap. It has been found that by setting the area to an appropriate value, it is possible to achieve both prevention of peeling of the anode gas diffusion layer 114 and prevention of reduction in power generation amount.

すなわち、第1補強層116の内縁部116Aとアノードガス拡散層114の外縁部114Aとが重なり合った面積Sを発電面積Sの3%以上に設定すれば、アノードガス拡散層114の剥がれが有効に防止できる一方、第1補強層116の内縁部116Aとアノードガス拡散層114の外縁部114Aとが重なり合った面積Sを発電面積Sの12%以下に設定すれば、第1補強層116を設けないものと同等の発電量が得られ、第1補強層116を設けることによる発電量の低下を防止することができる。なお、第2補強層117とカソードガス拡散層115との重なり条件についても同様である。 That is, if the area S 1 where the inner edge portion 116A of the first reinforcing layer 116 and the outer edge portion 114A of the anode gas diffusion layer 114 overlap is set to 3% or more of the power generation area S 0 , the anode gas diffusion layer 114 will not peel off. While it can be effectively prevented, if the area S 1 where the inner edge portion 116A of the first reinforcing layer 116 and the outer edge portion 114A of the anode gas diffusion layer 114 overlap is set to 12% or less of the power generation area S 0 , the first reinforcing layer A power generation amount equivalent to that without 116 is obtained, and a decrease in the power generation amount due to the provision of the first reinforcing layer 116 can be prevented. The same applies to the overlapping condition between the second reinforcing layer 117 and the cathode gas diffusion layer 115.

第1補強層116及び第2補強層117の厚さは、接着剤を含めて12.5〜125μmであることが好ましい。第1補強層116及び第2補強層117の厚さが12.5μm未満であっても膜電極接合体11の機械的強度を向上させるといった目的は達成できるが、折れ易いという欠点があり作業性が損なわれる。また125μmを超えると、第1補強層116及び第2補強層117の各内縁に生じる段差が大きくなるので、第1補強層116にあってはアノード触媒層112及びアノードガス拡散層114の端部に空洞が発生し、第2補強層117にあってはカソード触媒層113及びカソードガス拡散層115の端部に空洞が発生し、起電力が低下する可能性がある。   It is preferable that the thickness of the 1st reinforcement layer 116 and the 2nd reinforcement layer 117 is 12.5-125 micrometers including an adhesive agent. Even if the thickness of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 is less than 12.5 μm, the purpose of improving the mechanical strength of the membrane electrode assembly 11 can be achieved. Is damaged. If the thickness exceeds 125 μm, the steps generated at the inner edges of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 become large, so that the end portions of the anode catalyst layer 112 and the anode gas diffusion layer 114 are present in the first reinforcing layer 116. In the second reinforcing layer 117, cavities are generated at the ends of the cathode catalyst layer 113 and the cathode gas diffusion layer 115, and the electromotive force may be reduced.

本例の第1補強層116及び第2補強層117の外縁部は、高分子電解質膜111の端部を覆うように延在し、両補強層116,117が貼り合わされている。これにより、高分子電解質膜111、触媒層113,114及びガス拡散層115,116を含めた膜電極接合体11の機械的強度が向上する。なお、本発明の膜電極接合体にあっては第1補強層116及び第2補強層117の少なくとも一方を備えれば機械的強度の向上の目的は達成できるが、補強層116,117とガス拡散層115,116及び高分子電解質膜111との貼り合わせは、基本的に異種材料の貼り合わせであることから、動作温度に応じて反りが生じる可能性がある、したがって、本例のように第1補強層116及び第2補強層117の両方を設けることが最も好ましい。   The outer edge portions of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 in this example extend so as to cover the end portion of the polymer electrolyte membrane 111, and both the reinforcing layers 116 and 117 are bonded together. Thereby, the mechanical strength of the membrane electrode assembly 11 including the polymer electrolyte membrane 111, the catalyst layers 113 and 114, and the gas diffusion layers 115 and 116 is improved. In the membrane electrode assembly of the present invention, if at least one of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 is provided, the purpose of improving the mechanical strength can be achieved, but the reinforcing layers 116, 117 and the gas Since the bonding between the diffusion layers 115 and 116 and the polymer electrolyte membrane 111 is basically a bonding of different materials, there is a possibility of warping depending on the operating temperature. Therefore, as in this example Most preferably, both the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 are provided.

次に本例の膜電極接合体11の製造方法について説明する。図3は、ホットプレス機を用いて本例の膜電極接合体11を製造する工程を説明するための断面図である。ホットプレス機5は、位置が固定された第1熱盤51と、当該第1熱盤51に対して加圧シリンダ55によって上下移動する第2熱盤52とを備え、第1熱盤51及び第2熱盤52はそれぞれ熱源に接続されて所望の温度に加熱されるように構成されている。   Next, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 11 of this example is demonstrated. FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a process of manufacturing the membrane electrode assembly 11 of this example using a hot press machine. The hot press machine 5 includes a first hot platen 51 whose position is fixed, and a second hot platen 52 that moves up and down by a pressure cylinder 55 with respect to the first hot platen 51, The second heating plates 52 are each connected to a heat source and configured to be heated to a desired temperature.

本例の膜電極接合体11は、治具53にセットされたのちこの治具53がホットプレス機5にセットされる。治具53は、四隅に位置決め固定用ピン54が設けられ、一方、高分子電解質膜111、第1補強層116及び第2補強層117の四隅には位置決め固定用ピン54のそれぞれに対応した位置に位置決め固定用孔111h,116h,117hが形成されている。   After the membrane electrode assembly 11 of this example is set on the jig 53, the jig 53 is set on the hot press machine 5. The jig 53 is provided with positioning and fixing pins 54 at the four corners. On the other hand, positions corresponding to the positioning and fixing pins 54 at the four corners of the polymer electrolyte membrane 111, the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117. The positioning and fixing holes 111h, 116h, and 117h are formed.

本例の膜電極接合体11を製造するに際し、予め高分子電解質膜111の両主面の所定位置にアノード触媒層112及びカソード触媒層113を形成する。これは、高分子電解質膜111の両主面に、アノード触媒層112及びカソード触媒層113を構成する材料をスプレー塗装し、乾燥することにより行うことができる。またこれに代えて、高分子電解質膜111の両主面に、アノード触媒層112及びカソード触媒層113を熱転写することにより行うこともできる。   When manufacturing the membrane electrode assembly 11 of this example, the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are formed in advance at predetermined positions on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111. This can be performed by spray-coating the material constituting the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 and drying. Alternatively, the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 may be thermally transferred to both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111.

ホットプレス機5の治具53に対しては、膜電極接合体11を構成する各層の積層順にセットする。すなわち、第2補強層117の4つの位置決め固定用孔117hを治具53の4つの位置決め固定用ピン54に挿入しながら治具53に載置し、次いで第2補強層117の内縁の開口部を位置決め基準にしてカソードガス拡散層115を第2補強層117の上に載置する。   The jig 53 of the hot press machine 5 is set in the stacking order of the layers constituting the membrane electrode assembly 11. That is, the four positioning fixing holes 117h of the second reinforcing layer 117 are placed on the jig 53 while being inserted into the four positioning fixing pins 54 of the jig 53, and then the opening of the inner edge of the second reinforcing layer 117 The cathode gas diffusion layer 115 is placed on the second reinforcing layer 117 with reference to the positioning reference.

以下においても同様であるが、位置決め固定用ピン54と位置決め固定用孔111h,116h,117hとの位置合わせを用いないで、第2補強層117の内縁の開口部を位置決め基準にしてカソードガス拡散層115を第2補強層117の上に載置するには、固定カメラによって治具53に載置された第2補強層117と、次にセットしようとしているカソードガス拡散層115を撮影し、第2補強層117の開口部の画像位置に基づいてカソードガス拡散層115の画像位置を画像解析しながらロボットなどを制御し、所定位置になるようにカソードガス拡散層115を第2補強層117の上に載置すればよい。   The same applies to the following, but cathode gas diffusion is not performed using the positioning fixing pins 54 and the positioning fixing holes 111h, 116h, and 117h, and the opening at the inner edge of the second reinforcing layer 117 is used as a positioning reference. In order to place the layer 115 on the second reinforcing layer 117, the second reinforcing layer 117 placed on the jig 53 and the cathode gas diffusion layer 115 to be set next are photographed by a fixed camera, The robot is controlled while analyzing the image position of the cathode gas diffusion layer 115 based on the image position of the opening of the second reinforcement layer 117, and the cathode gas diffusion layer 115 is placed in the second reinforcement layer 117 so as to be at a predetermined position. Just place it on top.

次いで、両主面にアノード触媒層112及びカソード触媒層113が設けられた高分子電解質膜111の4つの位置決め固定用孔111hを治具53の4つの位置決め固定用ピン54に挿入しながら治具53に載置する。次いで、アノード触媒層112を位置決め基準にしてアノードガス拡散層114をアノード触媒層112の上に載置する。このセットは固定カメラを用いた画像解析により行うことができる。次いで、第1補強層116の4つの位置決め固定用孔116を治具53の4つの位置決め固定用ピン54に挿入しながら治具53に載置する。   Next, the jig is inserted into the four positioning fixing pins 54 of the jig 53 while the four positioning fixing holes 111h of the polymer electrolyte membrane 111 provided with the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 on both main surfaces are inserted. 53. Next, the anode gas diffusion layer 114 is placed on the anode catalyst layer 112 using the anode catalyst layer 112 as a positioning reference. This set can be performed by image analysis using a fixed camera. Next, the four positioning fixing holes 116 of the first reinforcing layer 116 are placed on the jig 53 while being inserted into the four positioning fixing pins 54 of the jig 53.

なお、必要に応じてアノード集電体12及びカソード集電体13を一体成形してもよい。この場合は、上述した第2補強層117とカソードガス拡散層115との間にカソード集電体13をセットし、アノードガス拡散層114と第1補強層116との間にアノード集電体12をセットすればよい。   Note that the anode current collector 12 and the cathode current collector 13 may be integrally formed as necessary. In this case, the cathode current collector 13 is set between the second reinforcing layer 117 and the cathode gas diffusion layer 115 described above, and the anode current collector 12 is interposed between the anode gas diffusion layer 114 and the first reinforcement layer 116. Should be set.

以上のようにして膜電極接合体11を構成する各層を治具53にセットしたら、これをホットプレス機5にセットし、第1熱盤51及び第2熱盤52を所定温度に加熱したのち加圧シリンダ55を駆動して第2熱盤52を下降し、所定圧を所定時間だけ印加する。これにより、第1補強層116及び第2補強層117に形成された接着剤が反応して両補強層116,117が強固に接着することになる。またこれにより、両主面にアノード触媒層112及びカソード触媒層113が設けられた高分子電解質膜111とガス拡散層114,115も強固に接着されることになる。   After each layer constituting the membrane electrode assembly 11 is set in the jig 53 as described above, this is set in the hot press machine 5 and the first hot platen 51 and the second hot platen 52 are heated to a predetermined temperature. The pressure cylinder 55 is driven to lower the second hot platen 52, and a predetermined pressure is applied for a predetermined time. Thereby, the adhesive agent formed in the 1st reinforcement layer 116 and the 2nd reinforcement layer 117 reacts, and both reinforcement layers 116 and 117 adhere | attach firmly. As a result, the polymer electrolyte membrane 111 provided with the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 on both main surfaces and the gas diffusion layers 114 and 115 are also firmly bonded.

以下、本発明をさらに具体化した実施例と、当該実施例に対する比較例を挙げて本発明を説明する。ただし、以下の実施例の数値や材質などの諸条件は本発明の単なる一例であって本発明を何ら限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples that further embody the present invention and comparative examples for the examples. However, various conditions such as numerical values and materials in the following examples are merely examples of the present invention and do not limit the present invention.

《実施例1》
高分子電解質膜111として、縦200mm、横200mm、厚さ125μmのパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標))を用い、
アノード触媒層112として、縦146mm、横128mm、厚さ40μmの白金・ルテニウム触媒(田中貴金属社製TEC66E50,白金・ルテニウム担持量50重量%)を用い、
カソード触媒113として、縦146mm、横128mm、厚さ20μmの白金触媒(田中貴金属社製TEC10E70TPM,白金担持量70重量%)を用い、
アノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115として、縦146mm、横128mm、厚さ235μmの黒鉛繊維不織布(MFCテクノロジー社製カーボンファイバペーパSIGRACET GDL25BC)を用い、
第1補強層116及び第2補強層117として、外縁の縦210mm、外縁の横210mm、内縁の縦140mm、内縁の横123mm、厚さ25μmのポリエチレンナフタレートフィルム(帝人デュポンフィルム社製テオネックス)を用いた。本例の発電面積は、縦146mm×横128mm=18688mm、第1補強層116(又は第2補強層117)の内縁部とアノードガス拡散層114(又はカソードガス拡散層115)の外縁部との重なり合った面積は1468mm、その面積割合は8%であった。
Example 1
As the polymer electrolyte membrane 111, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid having a length of 200 mm, a width of 200 mm, and a thickness of 125 μm (Nafion (trade name, registered trademark) manufactured by DuPont, USA) is used.
As the anode catalyst layer 112, a platinum / ruthenium catalyst having a length of 146 mm, a width of 128 mm, and a thickness of 40 μm (TEC66E50 manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., platinum / ruthenium loading amount of 50% by weight) was used.
As the cathode catalyst 113, a platinum catalyst having a length of 146 mm, a width of 128 mm, and a thickness of 20 μm (TEC10E70TPM manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., platinum loading 70 wt%) was used.
As the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115, a graphite fiber nonwoven fabric (carbon fiber paper SIGRACET GDL25BC manufactured by MFC Technology) having a length of 146 mm, a width of 128 mm, and a thickness of 235 μm is used.
As the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117, a polyethylene naphthalate film (Teonex manufactured by Teijin DuPont Films) having an outer edge length of 210 mm, an outer edge width of 210 mm, an inner edge length of 140 mm, an inner edge width of 123 mm, and a thickness of 25 μm is used. Using. The power generation area in this example is 146 mm long × 128 mm wide = 18688 mm 2 , the inner edge portion of the first reinforcing layer 116 (or the second reinforcing layer 117) and the outer edge portion of the anode gas diffusion layer 114 (or the cathode gas diffusion layer 115). The overlapping area was 1468 mm 2 , and the area ratio was 8%.

まず高分子電解質膜111の両主面に、アノード触媒層112及びカソード触媒層113をスプレー塗装し、乾燥させた。そして、図3に示すように第2補強層117、カソードガス拡散層115、アノード触媒層112及びカソード触媒層113が形成された高分子電解質膜111、アノードガス拡散層114、第1補強層116の順で積層し、ホットプレス機5を用いて、温度130℃、圧力3MPaで5分間の加熱加圧処理を行った。   First, the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 were spray-coated on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 and dried. As shown in FIG. 3, the polymer electrolyte membrane 111, the anode gas diffusion layer 114, and the first reinforcement layer 116 on which the second reinforcing layer 117, the cathode gas diffusion layer 115, the anode catalyst layer 112, and the cathode catalyst layer 113 are formed. Then, using the hot press machine 5, a heat and pressure treatment was performed at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 3 MPa for 5 minutes.

こうして得られた膜電極接合体11を目視観察し、ガス拡散層114,115の剥がれの有無を確認した。また得られた膜電極接合体11を用いて燃料電池1を組み立て、その際の作業性として把持したときに膜電極接合体11に折れが生じるか否かを確認した。さらに組み立てられた燃料電池にメタノールと空気を供給して動作試験を行い、単電池の起電力を測定した。この結果を表1に示す。   The membrane / electrode assembly 11 thus obtained was visually observed to confirm whether the gas diffusion layers 114 and 115 were peeled off. Moreover, the fuel cell 1 was assembled using the obtained membrane electrode assembly 11, and it was confirmed whether or not the membrane electrode assembly 11 would break when grasped as workability at that time. Further, methanol and air were supplied to the assembled fuel cell to perform an operation test, and the electromotive force of the unit cell was measured. The results are shown in Table 1.

《実施例2〜5》
実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の内縁の縦の寸法と横の寸法を変えて、第1補強層116及び第2補強層117の内縁部とアノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115の外縁部との重なり合った面積の面積割合を,3%,5%,10%,12%としたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を表1に示す。
<< Examples 2 to 5 >>
By changing the vertical and horizontal dimensions of the inner edges of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 in the first embodiment, the inner edges of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117, the anode gas diffusion layer 114, and A membrane / electrode assembly 11 was produced under the same conditions as in Example 1 except that the area ratio of the overlapping area with the outer edge of the cathode gas diffusion layer 115 was 3%, 5%, 10%, and 12%. The same evaluation was performed. These results are shown in Table 1.

《比較例1》
実施例1〜5の比較例として、実施例1の第1補強層116及び第2補強層117を省略したこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。この結果を表1に示す。
<< Comparative Example 1 >>
As a comparative example of Examples 1 to 5, a membrane electrode assembly 11 was produced under the same conditions as in Example 1 except that the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 of Example 1 were omitted, and the same evaluation was performed. went. The results are shown in Table 1.

《比較例2〜4》
実施例1〜5の比較例として、実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の内縁の縦の寸法と横の寸法を変えて、第1補強層116及び第2補強層117の内縁部とアノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115の外縁部との重なり合った面積の面積割合を、1%,2%,15%としたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を表1に示す。
<< Comparative Examples 2-4 >>
As a comparative example of Examples 1 to 5, the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 are changed by changing the vertical dimension and the horizontal dimension of the inner edges of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 in Example 1. A membrane electrode under the same conditions as in Example 1 except that the area ratio of the overlapping area of the inner edge portion of the anode and the outer edge portion of the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 was 1%, 2%, and 15%. A joined body 11 was prepared and subjected to the same evaluation. These results are shown in Table 1.

Figure 2015050134
Figure 2015050134

《考察1》
実施例1〜5及び比較例1〜4の結果から、補強層116,117を省略した比較例1においてはガス拡散層114,115がほぼ全周にわたって剥がれが発生し、また補強層116,117とガス拡散層114,115との重なる面積割合が2%以下の比較例2,3においても一部においてガス拡散層114,115の剥がれが発生した。またこの面積割合が15%以上の比較例4においては剥がれの不具合は発生しなかったが単電池の起電力が比較例1の補強層116,117のないものに比べて88%にまで低下した。
<Discussion 1>
From the results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, in Comparative Example 1 in which the reinforcing layers 116 and 117 are omitted, the gas diffusion layers 114 and 115 are peeled almost over the entire circumference, and the reinforcing layers 116 and 117 are removed. Also in Comparative Examples 2 and 3 in which the area ratio where the gas diffusion layers 114 and 115 overlap was 2% or less, the gas diffusion layers 114 and 115 were partly peeled off. Further, in Comparative Example 4 in which the area ratio was 15% or more, no peeling failure occurred, but the electromotive force of the single cell was reduced to 88% compared to that of Comparative Example 1 without the reinforcing layers 116 and 117. .

これに対して、補強層116,117とガス拡散層114,115との重なる面積割合が3%〜12%である実施例1〜5の膜電極接合体11にあっては、ガス拡散層114,115の剥がれは何ら観察されなかった。また起電力についても、最小の実施例5でも、補強層116,117のない比較例1に比べて96%にまでしか低下しなかった。   On the other hand, in the membrane electrode assembly 11 of Examples 1 to 5 in which the area ratio of the reinforcing layers 116 and 117 and the gas diffusion layers 114 and 115 is 3% to 12%, the gas diffusion layer 114 is used. 115 was not observed at all. The electromotive force also decreased to 96% even in the minimum Example 5 as compared with Comparative Example 1 without the reinforcing layers 116 and 117.

《実施例6〜10》
実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の厚さ寸法を12.5μm、50μm、75μm、100μm、125μmにそれぞれ変えたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を実施例1とともに表2に示す。
<< Examples 6 to 10 >>
The membrane electrode assembly 11 under the same conditions as in Example 1 except that the thickness dimensions of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 in Example 1 were changed to 12.5 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, and 125 μm, respectively. The same evaluation was performed. These results are shown in Table 2 together with Example 1.

《比較例5〜7》
実施例1,6〜10の比較例として、実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の厚さ寸法を10μm、188μm、250にそれぞれ変えたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を実施例1とともに表2に示す。
<< Comparative Examples 5-7 >>
As a comparative example of Examples 1 and 6 to 10, the same conditions as in Example 1 except that the thickness dimensions of the first reinforcing layer 116 and the second reinforcing layer 117 in Example 1 were changed to 10 μm, 188 μm, and 250, respectively. Membrane / electrode assembly 11 was prepared and subjected to the same evaluation. These results are shown in Table 2 together with Example 1.

Figure 2015050134
Figure 2015050134

《考察2》
実施例1,6〜10及び比較例5〜7の結果から、補強層116,117の厚さが10μmと薄い比較例5にあっては膜電極接合体11を把持すると折れ曲がって形状が安定せず、その後の組立作業性が著しく悪かった。また補強層116,117の厚さが188μm以上になると、膜電極接合体11の作業性は良好であるものの、単電池の起電力が比較例1の補強層116,117のないものに比べて、比較例6では90%、比較例7では76%にまで低下した。
<Discussion 2>
From the results of Examples 1, 6 to 10 and Comparative Examples 5 to 7, in Comparative Example 5 where the thickness of the reinforcing layers 116 and 117 is as thin as 10 μm, when the membrane electrode assembly 11 is gripped, it is bent and the shape is stabilized. The subsequent assembly workability was remarkably bad. When the thickness of the reinforcing layers 116 and 117 is 188 μm or more, the workability of the membrane electrode assembly 11 is good, but the electromotive force of the unit cell is higher than that of the comparative example 1 without the reinforcing layers 116 and 117. In Comparative Example 6, it decreased to 90% and in Comparative Example 7 to 76%.

これに対して、補強層116,117の厚さ寸法が12.5μm〜125μmである実施例1,6〜10の膜電極接合体11にあっては、膜電極接合体11の作業性は良好で、しかも単電池の起電力についても、最小の実施例10でも、補強層116,117のない比較例1に比べて99%にまでしか低下しなかった。   On the other hand, in the membrane electrode assemblies 11 of Examples 1 and 6 to 10 in which the thickness dimensions of the reinforcing layers 116 and 117 are 12.5 μm to 125 μm, the workability of the membrane electrode assembly 11 is good. Moreover, the electromotive force of the single cell was reduced to 99% even in the minimum Example 10 as compared with Comparative Example 1 without the reinforcing layers 116 and 117.

1…燃料電池
11…膜電極接合体
111…高分子電解質膜
112…アノード触媒層(燃料極)
113…カソード触媒層(空気極)
114…アノードガス拡散層
115…カソードガス拡散層
116…第1補強層
117…第2補強層
12…アノード集電体
13…カソード集電体
14…アノードセパレータ
15…カソードセパレータ
16…アノード流路
17…カソード流路
18,19…ガスケット
5…ホットプレス機
51…第1熱盤
52…第2熱盤
53…治具
54…位置決め固定用ピン
55…加圧シリンダ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 11 ... Membrane electrode assembly 111 ... Polymer electrolyte membrane 112 ... Anode catalyst layer (fuel electrode)
113 ... Cathode catalyst layer (air electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 114 ... Anode gas diffusion layer 115 ... Cathode gas diffusion layer 116 ... 1st reinforcement layer 117 ... 2nd reinforcement layer 12 ... Anode collector 13 ... Cathode collector 14 ... Anode separator 15 ... Cathode separator 16 ... Anode flow path 17 ... Cathode channel 18, 19 ... Gasket 5 ... Hot press machine 51 ... First hot plate 52 ... Second hot plate 53 ... Jig 54 ... Pin for positioning and fixing 55 ... Pressure cylinder

Claims (2)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の第1主面及び第2主面のそれぞれに設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、
前記アノード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該アノード触媒層上に外縁が揃うように設けられたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該カソード触媒層上に外縁が揃うように設けられたカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層上の外縁部又は前記カソードガス拡散層上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層と、を備える燃料電池用膜電極接合体において、
前記補強層の内縁部と前記アノードガス拡散層上または前記カソードガス拡散層上の外縁部との重なる面積が、発電面積に対して3%〜12%である燃料電池用膜電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on each of the first main surface and the second main surface of the polymer electrolyte membrane;
An anode gas diffusion layer formed in the same outer edge shape as the anode catalyst layer and provided so that the outer edge is aligned on the anode catalyst layer;
A cathode gas diffusion layer formed in the same outer edge shape as the cathode catalyst layer and provided so that the outer edge is aligned on the cathode catalyst layer;
A fuel cell membrane electrode assembly comprising: a frame-shaped reinforcing layer provided on at least one of an outer edge portion on the anode gas diffusion layer and an outer edge portion on the cathode gas diffusion layer so that the inner edge portion overlaps the outer edge portion. In
A membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein an overlapping area between an inner edge portion of the reinforcing layer and an outer edge portion on the anode gas diffusion layer or the cathode gas diffusion layer is 3% to 12% with respect to a power generation area.
前記補強層の厚さが、12.5μm〜125μmである請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the reinforcing layer has a thickness of 12.5 μm to 125 μm.
JP2013182790A 2013-09-04 2013-09-04 Membrane electrode assembly for fuel cell Pending JP2015050134A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013182790A JP2015050134A (en) 2013-09-04 2013-09-04 Membrane electrode assembly for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013182790A JP2015050134A (en) 2013-09-04 2013-09-04 Membrane electrode assembly for fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015050134A true JP2015050134A (en) 2015-03-16

Family

ID=52699964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013182790A Pending JP2015050134A (en) 2013-09-04 2013-09-04 Membrane electrode assembly for fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015050134A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022116912A1 (en) * 2020-12-03 2022-06-09 中国科学院大连化学物理研究所 Fuel cell membrane electrode sealing assembly, encapsulation process, and device for continuous encapsulation

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009099537A (en) * 2007-09-27 2009-05-07 Dainippon Printing Co Ltd Electrolyte membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell using the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009099537A (en) * 2007-09-27 2009-05-07 Dainippon Printing Co Ltd Electrolyte membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell using the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022116912A1 (en) * 2020-12-03 2022-06-09 中国科学院大连化学物理研究所 Fuel cell membrane electrode sealing assembly, encapsulation process, and device for continuous encapsulation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4882314B2 (en) Electrolyte membrane-electrode assembly and method for producing the same
JP2007095669A (en) Electrolyte film-electrode assembly
CA2864082C (en) Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP6038074B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
JP5720810B2 (en) Electrolyte membrane-catalyst layer laminate with reinforcing sheet and polymer electrolyte fuel cell having the same
JP2010170892A (en) Fuel cell
JP6655120B2 (en) Fuel cell
JP6204119B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
JP6120674B2 (en) Solid polymer fuel cell and manufacturing method thereof
JP6285701B2 (en) FUEL CELL STACK, FUEL CELL STACK MANUFACTURING METHOD, BATTERY SUB ASSEMBLY, BATTERY SUB ASSEMBLY MANUFACTURING METHOD, AND SEPARATOR WITH TEMPORARY OR FIXED GASKET
JP6533028B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
JP2015050134A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell
JP5463624B2 (en) Method for producing membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP6511104B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
JP5239434B2 (en) Catalyst layer transfer sheet, method for producing electrolyte membrane-catalyst layer assembly using the same, method for producing electrolyte membrane-electrode assembly, method for producing electrode for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell Manufacturing method
JP2016072099A (en) Gasket member, membrane electrode assembly using the same, and fuel cell
JP7307109B2 (en) Membrane electrode assembly with gas diffusion layer and manufacturing method thereof
JP2016071985A (en) Membrane electrode assembly for fuel battery
US20230411660A1 (en) Membrane electrode assembly combined roll, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP5544781B2 (en) Catalyst layer with reinforcing membrane-electrolyte membrane laminate, membrane electrode assembly with reinforcing membrane, polymer electrolyte fuel cell, and reinforcing membrane
JP2015076348A (en) Membrane electrode assembly for fuel battery
JP2016167452A (en) Membrane electrode assembly for direct methanol fuel cell and method for manufacturing the same, direct methanol fuel cell and method for manufacturing the same, membrane electrode assembly and method for manufacturing the same, and fuel cell and method for manufacturing the same
WO2013080421A1 (en) Direct oxidation fuel cell and method for producing membrane catalyst layer assembly used in same
JP5757349B2 (en) Method for producing membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP5581942B2 (en) Membrane-electrode assembly intermediate, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing membrane-electrode assembly

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160526

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170206

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170214

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170829