JP2018085169A - Electrolyte membrane-electrode assembly and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源およびポータブル電源などに使用される固体高分子形燃料電池用の電解質膜−電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly and a fuel cell for a polymer electrolyte fuel cell used for a home cogeneration system, a power source for an electric vehicle, a portable power source and the like.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として、電解質膜−電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池が知られている。 A solid polymer fuel cell using an electrolyte membrane-electrode assembly is known as a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas.
この電解質膜−電極接合体は、高分子からなる電解質膜の両主面に触媒層と電極基材を配置し、ポリプロピレン等の樹脂を用いて、電解質膜と触媒層および電極基材を接合して成る。 In this electrolyte membrane-electrode assembly, a catalyst layer and an electrode base material are arranged on both main surfaces of an electrolyte membrane made of a polymer, and the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the electrode base material are joined using a resin such as polypropylene. It consists of
また、固体高分子形燃料電池は、上記構成の電解質膜−電極接合体と、その外側に反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのガス供給溝を設けた一対のセパレータを備えている(例えば、特許文献1参照)。 The polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane-electrode assembly having the above structure and a pair of separators provided with gas supply grooves for supplying a fuel gas and an oxidant gas as reaction gases on the outside thereof. (For example, refer to Patent Document 1).
図5(a)は、従来の電解質膜−電極接合体の概略構成を示す断面図であり、図5(b)は、従来の固体高分子形燃料電池に組み込む単電池の概略構成を示す断面図である。 FIG. 5 (a) is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional electrolyte membrane-electrode assembly, and FIG. 5 (b) is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a unit cell incorporated in a conventional polymer electrolyte fuel cell. FIG.
図5(a)に示すように、電解質膜−電極接合体50は、水素イオンを含む強酸性の電解質膜51と、アノード触媒層52と電極基材54からなるアノード55と、カソード触媒層53と電極基材54からなるカソード56と、電解質膜51とアノード触媒層52およびカソード触媒層53並びに電極基材54を接合する樹脂57から構成されている。
As shown in FIG. 5A, the electrolyte membrane-
ここで、電解質膜51は、アノード触媒層52、カソード触媒層53および電極基材54で覆われずに径外方向に突出する露出部51aを有する。
Here, the
そして、この露出部51aにアノード触媒層52、カソード触媒層53および電極基材54を取り囲んで配置される樹脂57が、電解質膜51とアノード触媒層52およびカソード触媒層53並びに電極基材54を接合して電解質膜−電極接合体50の端部に封止部58を形成し、電解質膜−電極接合体50からの反応ガスの漏洩を防止している。
Then, the
また、図5(b)に示すように、固体高分子形燃料電池に組み込む単電池59は、上記構成の電解質膜−電極接合体50と、アノード55に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝を設けたアノードセパレータ510と、カソード56に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝を設けたカソードセパレータ511を備えている。
Further, as shown in FIG. 5B, the
そして、固体高分子形燃料電池は、上記構成の単電池59を複数枚積み重ねた燃料電池積層体を備えている。
The polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell stack in which a plurality of
上記構成の固体高分子形燃料電池において、単電池59のアノードセパレータ510の燃料ガス供給溝とカソードセパレータ511の酸化剤ガス供給溝に、反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスを供給すると、単電池59のアノード55とカソード56において、以下の式(1)と式(2)に示す電気化学反応が進行し、起電力が生じる。
In the polymer electrolyte fuel cell having the above configuration, when the fuel gas and the oxidant gas as the reaction gas are supplied to the fuel gas supply groove of the
アノード:2H2 → 4H++4e− ・・・・式(1)
カソード:O2+4H++4e− → 2H2O ・・・・式(2)
アノード55では、式(1)に示すように、供給した燃料ガス中の水素を水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは電解質膜51を通り、また、電子は外部回路を通って、それぞれカソード56に移動する。一方、カソード56では、式(2)に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と、上述した水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり、電力を供給することができる。
Anode: 2H 2 → 4H + + 4e - ···· formula (1)
Cathode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
In the
なお、式(1)と式(2)の反応により生成した水は、燃料電池で消費されなかった反応ガスとともに燃料電池の外部に排出される。 In addition, the water produced | generated by reaction of Formula (1) and Formula (2) is discharged | emitted outside the fuel cell with the reactive gas which was not consumed by the fuel cell.
この燃料電池は反応ガスを供給し続けることにより電気化学反応が継続し、電池電圧を維持して安定した発電を継続することができるため、アノード55とカソード56に供給される反応ガスが電解質膜−電極接合体50の外部に漏れないように、電解質膜−電極接合体50には十分な耐久性が必要とされる。
In this fuel cell, the electrochemical reaction is continued by continuously supplying the reaction gas, and the battery voltage can be maintained and stable power generation can be continued. Therefore, the reaction gas supplied to the
しかしながら上記従来の構成では、電解質膜−電極接合体の封止部を形成する樹脂が、電解質膜の露出部において、水素イオンを含有して強酸性を示す電解質膜と直接接触して酸性雰囲気に曝されるために、経年的に劣化して電解質膜−電極接合体の封止部に亀裂や破損が発生し、電解質膜−電極接合体から反応ガスが漏洩するという課題を有していた。 However, in the above-described conventional configuration, the resin that forms the sealing portion of the electrolyte membrane-electrode assembly is in an acidic atmosphere by directly contacting the electrolyte membrane that contains hydrogen ions and exhibits strong acidity in the exposed portion of the electrolyte membrane. As a result of exposure, there was a problem that the sealing portion of the electrolyte membrane-electrode assembly was deteriorated with age and cracks and breakage occurred, and the reaction gas leaked from the electrolyte membrane-electrode assembly.
また、このような従来の構成の電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池は、電解質膜−電極接合体から反応ガスが漏洩するために、電池電圧が低下し、安定した発電を継続することができないという課題を有していた。 In addition, in the fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly having such a conventional configuration, since the reaction gas leaks from the electrolyte membrane-electrode assembly, the battery voltage decreases and stable power generation is continued. Had the problem of not being able to.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電解質膜−電極接合体の封止部を形成する樹脂の経年的な劣化を防止する手段を提供し、反応ガスの漏洩がない耐久性に優れた電解質膜−電極接合体を提供することを目的の一つとする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a means for preventing deterioration over time of the resin forming the sealing portion of the electrolyte membrane-electrode assembly, and is durable with no leakage of reaction gas. An object is to provide an excellent electrolyte membrane-electrode assembly.
また、本発明は、このような電解質膜−電極接合体を用いて、長期に亘って電池電圧を維持し、安定した発電を継続することができる耐久性に優れた燃料電池を提供することを目的の一つとする。 The present invention also provides a fuel cell having excellent durability that can maintain a battery voltage over a long period of time and continue stable power generation using such an electrolyte membrane-electrode assembly. One of the purposes.
上記従来の課題を解決するために、本発明の電解質膜−電極接合体は、電解質膜と、電解質膜より小さな面積で電解質膜の両主面の略中央に配置される触媒層と、触媒層の外側に配置されるガス拡散層と、電解質膜の触媒層およびガス拡散層で覆われずに径外方向に突出する露出部と触媒層およびガス拡散層とを接合する樹脂であって、触媒層およびガス拡散層を囲繞して配置される樹脂と、を有する電解質膜−電極接合体であって、電解質膜の露出部が、実質的に水素イオンを含まないことを特徴とする。 In order to solve the above-described conventional problems, an electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention includes an electrolyte membrane, a catalyst layer having a smaller area than the electrolyte membrane and disposed at substantially the center of both main surfaces of the electrolyte membrane, and a catalyst layer A resin that joins the catalyst layer and the gas diffusion layer to a gas diffusion layer disposed outside the electrode, an exposed portion that protrudes radially outward without being covered with the catalyst layer and the gas diffusion layer of the electrolyte membrane, An electrolyte membrane-electrode assembly having a resin layer and a resin disposed so as to surround the gas diffusion layer, wherein the exposed portion of the electrolyte membrane does not substantially contain hydrogen ions.
これによって、電解質膜の露出部は実質的に水素イオンを含んでいないため、電解質膜−電極接合体の封止部を形成する樹脂は酸性雰囲気に曝されることはなく、経年的に劣化しないので、電解質膜−電極接合体からの反応ガスの漏洩を防止することができる。 Accordingly, since the exposed portion of the electrolyte membrane does not substantially contain hydrogen ions, the resin forming the sealing portion of the electrolyte membrane-electrode assembly is not exposed to an acidic atmosphere and does not deteriorate over time. Therefore, leakage of the reaction gas from the electrolyte membrane-electrode assembly can be prevented.
また、本発明の燃料電池は、本発明に係る電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体を両側から挟持する一対のセパレータとを有するのである。 The fuel cell of the present invention includes the electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention and a pair of separators that sandwich the electrolyte membrane-electrode assembly from both sides.
これによって、電解質膜−電極接合体からの反応ガスの漏洩を防止することができるので、燃料電池は長期に亘って電池電圧を維持し、安定した発電を継続することができる。 Accordingly, leakage of the reaction gas from the electrolyte membrane-electrode assembly can be prevented, so that the fuel cell can maintain the battery voltage over a long period of time and continue stable power generation.
本発明の電解質膜−電極接合体は、封止部を形成する樹脂の経年的な劣化を防止することができるので、電解質膜−電極接合体からの反応ガスの漏洩を防止することができる。 Since the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can prevent deterioration over time of the resin forming the sealing portion, it is possible to prevent leakage of reaction gas from the electrolyte membrane-electrode assembly.
また、本発明の燃料電池は、反応ガスの漏洩がない耐久性に優れた電解質膜−電極接合体を使用しているので、長期に亘って電池電圧を維持し、安定した発電を継続することができる。 In addition, since the fuel cell of the present invention uses an electrolyte membrane-electrode assembly excellent in durability with no leakage of reaction gas, the battery voltage is maintained over a long period of time and stable power generation is continued. Can do.
第1の発明は、電解質膜と、電解質膜より小さな面積で電解質膜の両主面の略中央に配置される触媒層と、触媒層の外側に配置されるガス拡散層と、電解質膜の触媒層およびガス拡散層で覆われずに径外方向に突出する露出部と触媒層およびガス拡散層とを接合する樹脂であって、触媒層および前記ガス拡散層を囲繞して配置される樹脂と、を有する電解質膜−電極接合体であって、電解質膜の露出部が、実質的に水素イオンを含まないことを特徴とする。 The first invention includes an electrolyte membrane, a catalyst layer having an area smaller than that of the electrolyte membrane and disposed substantially at the center of both main surfaces of the electrolyte membrane, a gas diffusion layer disposed outside the catalyst layer, and a catalyst for the electrolyte membrane A resin that is bonded to the catalyst layer and the gas diffusion layer, and that is disposed so as to surround the gas diffusion layer, the exposed portion protruding in the radially outward direction without being covered with the gas layer and the gas diffusion layer; The exposed portion of the electrolyte membrane is substantially free of hydrogen ions.
この構成により、電解質膜の露出部は実質的に水素イオンを含んでいないため、電解質膜−電極接合体の封止部を構成する樹脂は酸性雰囲気に曝されることはなく、経年的に劣化しないので、反応ガスの漏洩がない耐久性に優れた電解質膜−電極接合体を実現することができる。 With this configuration, since the exposed portion of the electrolyte membrane does not substantially contain hydrogen ions, the resin constituting the sealing portion of the electrolyte membrane-electrode assembly is not exposed to an acidic atmosphere and deteriorates over time. Therefore, it is possible to realize an electrolyte membrane-electrode assembly with excellent durability and no leakage of reaction gas.
第2の発明は、第1の発明に係る電解質膜−電極接合体と、電解質膜−電極接合体を両側から挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池である。 A second invention is a fuel cell having the electrolyte membrane-electrode assembly according to the first invention and a pair of separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly from both sides.
この構成により、電解質膜−電極接合体からの反応ガスの漏洩を防止することができるので、長期に亘って電池電圧を維持し、安定した発電を継続する耐久性に優れた燃料電池を実現することができる。 With this configuration, leakage of the reaction gas from the electrolyte membrane-electrode assembly can be prevented, so that a fuel cell excellent in durability for maintaining battery voltage over a long period and continuing stable power generation is realized. be able to.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1の(a)は、本発明の実施の形態1における電解質膜−電極接合体を示す外観斜視図であり、図1の(b)は、本発明の実施の形態1における電解質膜−電極接合体の(a)のA−A線断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is an external perspective view showing an electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1B is an electrolyte membrane-electrode in Embodiment 1 of the present invention. It is an AA line sectional view of (a) of a joined object.
図1に示すように、本実施の形態の電解質膜−電極接合体10は、電解質膜11と、電解質膜11の一方の主面の略中央に配置(形成)されるアノード触媒層12と、電解質膜11の他方の主面の略中央に配置(形成)されるカソード触媒層13と、アノード触媒層12とカソード触媒層13の外側にそれぞれ配置されるガス拡散層14と、アノード触媒層12とカソード触媒層13およびガス拡散層14を囲繞して配置される樹脂15とで構成されている。
As shown in FIG. 1, an electrolyte membrane-
本実施の形態の電解質膜−電極接合体10について、以下、その構成要素の材料や、構造および作用について具体的に説明する。
The electrolyte membrane-
電解質膜11は、一部に水素イオンを含むパーフルオロアルキルスルホン酸系の高分子で構成され、アノード触媒層12およびカソード触媒層13並びにガス拡散層14より面積が大きく、アノード触媒層12、カソード触媒層13およびガス拡散層14で覆われずにアノード触媒層12とカソード触媒層13およびガス拡散層14の径外方向に突出した露出部11aを有している。
The
この露出部11aは、高分子に含まれるスルホン酸基(−SO3H)の水素イオンをナトリウムイオンで置換してスルホン酸ナトリウム基(−SO3Na)とし、実質的に水素イオンを含んでいない。
The exposed
一方、電解質膜11の露出部11a以外の部分(アノード触媒層12、カソード触媒層13およびガス拡散層14で覆われる部分)は、高分子に含まれるスルホン酸基(−SO3H)の水素イオンを置換せずに、スルホン酸基(−SO3H)を保持して、水素イオンを含み、アノード触媒層12において電気化学反応によって発生した水素イオンをカソード触媒層13に輸送する機能を果たしている。
On the other hand, portions other than the exposed
アノード触媒層12とカソード触媒層13は、電解質膜11より面積が小さく、白金または白金合金を担持した炭素粒子からなる触媒粉末と水素イオンを輸送するアイオノマーを含んで構成され、電解質膜−電極接合体10に供給された反応ガスの電気化学反応を促進する機能を果たしている。
The
ガス拡散層14は、アノード触媒層12とカソード触媒層13と、ほぼ同じ大きさの面積であり、ガス通気性と電子伝導性を併せ持つ、炭素繊維を主成分とする導電性素材から構成されており、電解質膜−電極接合体10に供給される反応ガスをアノード触媒層12とカソード触媒層13に送り、また、カソード触媒層13において生成した水を電解質膜−電極接合体10の外部に排水する機能を果たしている。
The
樹脂15は、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化性樹脂から構成されており、電解質膜11と、アノード触媒層12およびカソード触媒層13並びにガス拡散層14を接合して電解質膜−電極接合体10の端部に封止部16を形成し、電解質膜−電極接合体10からの反応ガスの漏洩を防止している。
The
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜−電極接合体10を構成する電解質膜11における、アノード触媒層12とカソード触媒層13およびガス拡散層14で覆わ
れずに径外方向に突出した露出部11aが、実質的に水素イオンを含まないようにしたことにより、電解質膜−電極接合体10の封止部16を形成する樹脂15は酸性雰囲気に曝されることはなく、経年的に劣化しないため、反応ガスの漏洩がない耐久性に優れた電解質膜−電極接合体10を実現することができる。
As described above, in the present embodiment, the
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2における電解質膜−電極接合体の製造方法を示すフローチャートである。図3は、本発明の実施の形態2における電解質膜−電極接合体の製造方法における各工程の様子を模式的に示す工程図である。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the electrolyte membrane-electrode assembly in the second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a process diagram schematically showing each step in the method for manufacturing an electrolyte membrane-electrode assembly in the second embodiment of the present invention.
図2に示すように、本実施の形態における電解質膜−電極接合体10の製造方法は、アノード触媒粉末をアイオノマーおよび分散媒と混練してアノード触媒組成物31を得るアノード触媒組成物作製工程(S11)と、カソード触媒粉末をアイオノマーおよび分散媒と混練してカソード触媒組成物32を得るカソード触媒組成物作製工程(S12)と、多孔体33に撥水材を分散した溶液を塗布した後、乾燥してガス拡散層14を得るガス拡散層作製工程(S13)と、水素イオンを含む電解質膜11の一方の面の中央部にアノード触媒組成物31を塗布し、アノード触媒組成物31から分散媒を除去することにより、アノード触媒層12を形成するアノード触媒層形成工程(S14)と、水素イオンを含む電解質膜11の他方の面の中央部にカソード触媒組成物32を塗布し、カソード触媒組成物32から分散媒を除去することにより、カソード触媒層13を形成するカソード触媒層形成工程(S15)と、水素イオンを含む電解質膜11のうち、アノード触媒層12およびカソード触媒層13が形成されていない部分の水素イオンを中和して、電解質膜11に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成する露出部形成工程(S16)と、樹脂15を用いて、電解質膜11とアノード触媒層12およびカソード触媒層13並びにガス拡散層14を接合して封止部16を形成する封止部形成工程(S17)を含んでいる。 As shown in FIG. 2, the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly 10 according to the present embodiment is an anode catalyst composition preparation step in which anode catalyst powder is kneaded with an ionomer and a dispersion medium to obtain an anode catalyst composition 31 ( S11), a cathode catalyst composition preparation step (S12) in which the cathode catalyst powder is kneaded with an ionomer and a dispersion medium to obtain the cathode catalyst composition 32, and a solution in which a water repellent material is dispersed in the porous body 33 is applied, A gas diffusion layer preparation step (S13) to obtain a gas diffusion layer 14 by drying, and an anode catalyst composition 31 is applied to the central portion of one surface of the electrolyte membrane 11 containing hydrogen ions, and dispersed from the anode catalyst composition 31 The anode catalyst layer forming step (S14) for forming the anode catalyst layer 12 by removing the medium, and the central portion of the other surface of the electrolyte membrane 11 containing hydrogen ions In the cathode catalyst layer forming step (S15) for forming the cathode catalyst layer 13 by applying the cathode catalyst composition 32 and removing the dispersion medium from the cathode catalyst composition 32, and in the electrolyte membrane 11 containing hydrogen ions, An exposed portion forming step (S16) of forming an exposed portion 11a substantially free of hydrogen ions in the electrolyte membrane 11 by neutralizing the hydrogen ions in a portion where the anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13 are not formed; In addition, a sealing portion forming step (S17) is included in which the electrolyte membrane 11, the anode catalyst layer 12, the cathode catalyst layer 13, and the gas diffusion layer 14 are joined using the resin 15 to form the sealing portion 16.
以下、上述した電解質膜−電極接合体10の製造方法について、図2および図3を参照しながら、各工程を順を追って、さらに詳細に説明する。なお、図3において、図1と同一の構成要素は同じ符号を用い、説明を省略する。
Hereinafter, the manufacturing method of the above-described electrolyte membrane-
[アノード触媒組成物作製工程(S11)]
この工程では、アノード触媒粉末とアイオノマーおよび分散媒からアノード触媒組成物31を得る。具体的には、アノード触媒粉末、アイオノマーおよび分散媒を容器に採取して、アノード触媒粉末をアイオノマーおよび分散媒と所定の条件下で混練して、アノード触媒組成物31を作製する(図3の(a))。
[Anode catalyst composition preparation step (S11)]
In this step, the
[カソード触媒組成物作製工程(S12)]
この工程では、カソード触媒粉末とアイオノマーおよび分散媒からカソード触媒組成物32を得る。具体的には、カソード触媒粉末、アイオノマーおよび分散媒を容器に採取して、カソード触媒粉末をアイオノマーおよび分散媒と所定の条件下で混練して、カソード触媒組成物32を作製する(図3の(b))。
[Cathode Catalyst Composition Preparation Step (S12)]
In this step, the
[ガス拡散層作製工程(S13)]
この工程では、導電性の多孔体33の表面に撥水層34を形成してガス拡散層14を得る。具体的には、炭素繊維を含む多孔体33の一方の表面にフッ素系の撥水材を分散した溶液を塗布した後、乾燥して炭素繊維を含む多孔体33の一方の表面に撥水層34を形成してガス拡散層14を作製する(図3の(c))。
[Gas Diffusion Layer Fabrication Step (S13)]
In this step, the water repellent layer 34 is formed on the surface of the conductive porous body 33 to obtain the
[アノード触媒層形成工程(S14)]
この工程では、アノード触媒組成物作製工程(S11)で作製したアノード触媒組成物
31を水素イオンを含む電解質膜11の一方の面の中央部に塗布し、アノード触媒組成物31から分散媒を除去して、アノード触媒層12を形成する。
[Anode catalyst layer forming step (S14)]
In this step, the
具体的には、水素イオンを含む電解質膜11を固定し、その一方の面に、四辺の端部をマスキングした状態で、アノード触媒組成物31をスクリーン印刷法により塗布した後、アノード触媒組成物31を所定の条件下で加熱することにより、アノード触媒組成物31から分散媒を除去して、水素イオンを含む電解質膜11の一方の面の中央部にアノード触媒層12を形成する(図3の(d))。
Specifically, the
[カソード触媒層形成工程(S15)]
この工程では、カソード触媒組成物作製工程(S12)で作製したカソード触媒組成物32を水素イオンを含む電解質膜11の他方の面の中央部に塗布し、カソード触媒組成物32から分散媒を除去して、カソード触媒層13を形成する。
[Cathode catalyst layer forming step (S15)]
In this step, the
具体的には、一方の面の中央部にアノード触媒層12が形成された電解質膜11を、アノード触媒層12が形成された面とは反対側の面が上側になるように固定し、水素イオンを含む電解質膜11の他方の面に、四辺の端部をマスキングした状態で、カソードの触媒組成物32をスクリーン印刷法により塗布する。
Specifically, the
その後、カソード触媒組成物32を所定の条件下で加熱することにより、カソード触媒組成物32から分散媒を除去して、水素イオンを含む電解質膜11の他方の面の中央部にカソード触媒層13を形成する(図3の(e))。
Thereafter, the
[露出部形成工程(S16)]
この工程では、電解質膜11のうち、アノード触媒層12およびカソード触媒層13が形成されていない部分の水素イオンを処理液35で中和して、電解質膜11に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成する。
[Exposed Portion Forming Step (S16)]
In this step, hydrogen ions in a portion of the
具体的には、水素イオンを含む電解質膜11のアノード触媒層12およびカソード触媒層13が形成されていない四辺の端部を処理液35を貯えた容器に所定の条件下で浸漬することで、電解質膜11のアノード触媒層12とカソード触媒層13が形成されていない部分の水素イオンを中和した後、電解質膜11を容器から取り出して、電解質膜11に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成する(図3(f))。
Specifically, by immersing the ends of the four sides of the
[封止部形成工程(S17)]
この工程では、電解質膜11の露出部11aと、アノード触媒層12およびカソード触媒層13並びにガス拡散層14に樹脂15を塗布し、電解質膜11とアノード触媒層12およびカソード触媒層13並びにガス拡散層14を接合して封止部16を形成する。
[Sealing part forming step (S17)]
In this step, a
具体的には、ガス拡散層形成工程(S13)で作製したガス拡散層14を電解質膜11のアノード触媒層12とカソード触媒層13の外側に配置した後、電解質膜11の露出部11aと端面、アノード触媒層12およびカソード触媒層13の端面、並びにガス拡散層14の端面に樹脂15を塗布した後、樹脂15を硬化して封止部16を形成し、電解質膜−電極接合体10を製造する(図3の(g))。
Specifically, after the
以下、本実施の形態に係る電解質膜−電極接合体10の製造方法について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。
Hereinafter, although the manufacturing method of the electrolyte membrane-
(実施例1)
本実施例では、電解質膜11の両面の中央部にアノード触媒層12とカソード触媒層13を形成した後、金属塩を含む水溶液からなる処理液35を用いて電解質膜11に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成して電解質膜−電極接合体10を製造した。
Example 1
In this embodiment, after the
(1)アノード触媒組成物作製工程
白金とルテニウムを担持した炭素粉末からなるアノード触媒粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC66E50)100重量部に対して、アイオノマーとしてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番号:527114)300重量部、分散媒として純水150重量部とエタノール300重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練して、触媒組成物(以下、触媒組成物aという。)を作製した。
(1) Anode catalyst composition preparation process Afford 10% Nafion dispersion (Sigma) as an ionomer with respect to 100 parts by weight of anode catalyst powder (product number: TEC66E50 manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) consisting of carbon powder supporting platinum and ruthenium. Aldrich, product number: 527114) 300 parts by weight, 150 parts by weight of pure water and 300 parts by weight of ethanol as a dispersion medium were collected in a container, and a disperser (product name: RS-05W, manufactured by Seiwa Giken Co., Ltd.) Using an ultrasonic homogenizer (Nippon Seiki Seisakusho, product name: US-150E), the mixture was kneaded at room temperature for 2 hours to prepare a catalyst composition (hereinafter referred to as catalyst composition a).
(2)カソード触媒組成物作製工程
白金を担持した炭素粉末からなるカソード触媒粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC10E50E)100重量部に対して、アイオノマーとしてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番号:527114)300重量部、分散媒として純水150重量部とエタノール300重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練して、触媒組成物(以下、触媒組成物bという。)を作製した。
(2) Cathode catalyst composition preparation step Cathode catalyst powder made of carbon powder carrying platinum (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC10E50E) 100 parts by weight of
(3)ガス拡散層作製工程
炭素繊維を含む多孔体33としてカーボンペーパー(東レ(株)製、製品名:TGP−H−120)を用意し、その一方の表面に、撥水材としてポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン(ダイキン工業(株)製、製品名:C−1)100重量部に対して500重量部の純水を混合した混合物を塗布した後、350℃で2時間加熱乾燥して、撥水層34を有するガス拡散層(以下、ガス拡散層cという。)を作製した。
(3) Gas diffusion layer preparation process Carbon paper (product name: TGP-H-120, manufactured by Toray Industries, Inc.) is prepared as a porous body 33 containing carbon fibers, and polytetratetrahydrofuran is used as a water repellent material on one surface thereof. After applying a mixture in which 500 parts by weight of pure water was mixed with 100 parts by weight of a dispersion of fluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Ltd., product name: C-1), the mixture was heated and dried at 350 ° C. for 2 hours. A gas diffusion layer having a water repellent layer 34 (hereinafter referred to as a gas diffusion layer c) was produced.
(4)アノード触媒層形成工程
一辺の長さが100mmの正方形に裁断した電解質膜(デュポン(株)製、商品名:ナフィオン112)を用意し、その一方の面に触媒組成物aを、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業(株)製、製品名:CP−320)を用いて、スクリーン印刷法により塗布した。
(4) Anode catalyst layer forming step An electrolyte membrane (manufactured by DuPont, trade name: Nafion 112) cut into a square with a side length of 100 mm is prepared, and the catalyst composition a is screened on one surface thereof. Using a printing machine (product name: CP-320, manufactured by Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd.), coating was performed by a screen printing method.
印刷にはスクリーンマスクを用い、触媒組成物aはナフィオン112の中央部に、印刷する触媒組成物aの形状が一辺の長さが80mmの正方形になるように、また、ナフィオン112の四辺に触媒組成物aが塗布されていない幅10mmの端部が残るように塗布した。 A screen mask is used for printing. The catalyst composition a is formed in the center of the Nafion 112 so that the shape of the catalyst composition a to be printed is a square having a length of 80 mm, and on the four sides of the Nafion 112. It applied so that the edge part of width 10mm which the composition a was not apply | coated might remain.
続いて、触媒組成物aが塗布されたナフィオン112を80℃の恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:CKM300)に1時間放置することで、触媒組成物aから分散媒を加熱乾燥により除去した後、室温に1時間放置して、ナフィオン112の一方の面の中央部にアノード触媒層12を形成した。
Subsequently, the Nafion 112 coated with the catalyst composition a is left in a thermostat (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: CKM300) for 1 hour by heating and drying the dispersion medium from the catalyst composition a. After the removal, the
(5)カソード触媒層形成工程
上述したアノード触媒層形成工程により一方の面の中央部にアノード触媒層12が形成されたナフィオン112の他方の面に、触媒組成物bを、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業(株)製、製品名:CP−320)を用いて、スクリーン印刷法により塗布した。
(5) Cathode catalyst layer forming step The catalyst composition b is applied to the other surface of the Nafion 112 having the
印刷にはスクリーンマスクを用い、触媒組成物bはナフィオン112の中央部に、印刷する触媒組成物bの形状が一辺の長さが80mmの正方形になるように、また、ナフィオン112の四辺に触媒組成物bが塗布されていない幅10mmの端部が残るように塗布した。 A screen mask is used for printing. The catalyst composition b is formed in the center of the Nafion 112 so that the shape of the catalyst composition b to be printed is a square having a side length of 80 mm, and on the four sides of the Nafion 112. It applied so that the edge part of the width 10mm in which the composition b was not apply | coated might remain.
続いて、触媒組成物bが塗布されたナフィオン112を80℃の恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:CKM300)に1時間放置することで、触媒組成物bから分散媒を加熱乾燥により除去した後、室温に1時間放置して、ナフィオン112の他方の面の中央部にカソード触媒層13を形成した。
Subsequently, the Nafion 112 coated with the catalyst composition b is left in a thermostat (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: CKM300) for 1 hour by heating and drying the dispersion medium from the catalyst composition b. After the removal, the
(6)露出部形成工程
塩化ナトリウム100重量部に対して、純水500重量部を容器に採取し、攪拌器(ヤマト科学(株)製、製品名:マグミキサ)を用いて、25℃で10分間攪拌して、塩化ナトリウム水溶液からなる処理液35を作製した。
(6) Exposed portion forming step 500 parts by weight of pure water is collected in a container with respect to 100 parts by weight of sodium chloride, and 10 parts at 25 ° C. using a stirrer (product name: MAGMIXER) The mixture was stirred for a minute to prepare a
次に、上述したアノード触媒層形成工程とカソード触媒層形成工程により、中央部にアノード触媒層12とカソード触媒層13が形成されたナフィオン112のうち、アノード触媒層12とカソード触媒層13が形成されていない四辺の端部を各端部ごとに、上述した塩化ナトリウム水溶液を貯えた容器に30分間浸漬して、ナフィオン112の四辺の端部に含まれていた水素イオンをナトリウムイオンに置換して中和した後、容器から取り出して、ナフィオン112の四辺の端部に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成した。
Next, the
なお、塩化ナトリウム水溶液の量は、ナフィオン112の端部のみが塩化ナトリウム水溶液に浸かるように、ナフィオン112の端部がすり切り浸かるまでとした。 The amount of the sodium chloride aqueous solution was set until the end portion of the Nafion 112 was soaked so that only the end portion of the Nafion 112 was immersed in the sodium chloride aqueous solution.
(7)封止部形成工程
上述したガス拡散層形成工程により作製したガス拡散層cを、ナフィオン112に形成したアノード触媒層12およびカソード触媒層13とほぼ同じ大きさの面積になるよう一辺の長さが80mmの正方形に切り出して、その撥水層34がアノード触媒層12およびカソード触媒層13に接するようにアノード触媒層12およびカソード触媒層13の各面に配置した。
(7) Sealing portion forming step The gas diffusion layer c produced by the above-described gas diffusion layer forming step is formed on one side so as to have an area of almost the same size as the
次に、樹脂15としてエポキシ樹脂(コニシ(株)製、商品名:ボンドクイック5)を用意し、ナフィオン112の露出部と端面、アノード触媒層12およびカソード触媒層13の端面、並びにガス拡散層cの端面を覆うように塗布した後、50℃の恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:CKM300)に1時間放置して加熱硬化して、ナフィオン112とアノード触媒層12およびカソード触媒層13並びにガス拡散層cを接合して封止部16を形成し、電解質膜−電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体Aという。)を作製した。
Next, an epoxy resin (manufactured by Konishi Co., Ltd., trade name: Bondquick 5) is prepared as the
(実施例2)
本実施例では、電解質膜11の両面の中央部にアノード触媒層12とカソード触媒層13を形成した後に、非金属塩を含む水溶液からなる処理液35を用いて電解質膜11に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成して電解質膜−電極接合体10を製造した。
(Example 2)
In this embodiment, after the
上述した実施例1の(1)〜(5)の工程を行って、ナフィオン112の両面の中央部に、一辺の長さが80mmのアノード触媒層12とカソード触媒層13を形成した。続い
て、塩化アンモニウム100重量部に対して、純水500重量部を容器に採取し、攪拌器(ヤマト科学(株)製、製品名:マグミキサ)を用いて、25℃で10分間攪拌して、塩化アンモニウム水溶液からなる処理液35を作製した。
The above-described steps (1) to (5) of Example 1 were performed, and the
続いて、中央部にアノード触媒層12とカソード触媒層13が形成されたナフィオン112のうち、アノード触媒層12とカソード触媒層13が形成されていない四辺の端部を各端部ごとに、上述した塩化アンモニウム水溶液を貯えた容器に30分間浸漬し、ナフィオン112の四辺の端部に含まれていた水素イオンをアンモニウムイオンに置換して中和した後、容器から取り出して、ナフィオン112の四辺の端部に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成した。
Subsequently, among the Nafion 112 in which the
なお、塩化アンモニウム水溶液の量は、ナフィオン112の端部のみが塩化アンモニウム水溶液に浸かるように、ナフィオン112の端部がすり切り浸かるまでとした。次に、上述した実施例1の工程(7)を行い、ナフィオン112とアノード触媒層12およびカソード触媒層13並びにガス拡散層cを接合して封止部16を形成し、電解質膜−電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体Bという。)を作製した。
The amount of the ammonium chloride aqueous solution was set until the end of the Nafion 112 was soaked so that only the end of the Nafion 112 was immersed in the ammonium chloride aqueous solution. Next, the step (7) of Example 1 described above is performed, and the Nafion 112, the
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜−電極接合体10を構成する電解質膜11のうち、アノード触媒層12およびカソード触媒層13が形成されていない部分の水素イオンを中和して、電解質膜11に実質的に水素イオンを含まない露出部11aを形成することにより、電解質膜−電極接合体10の封止部16を形成する樹脂15は酸性雰囲気に曝されることはなく、経年的に劣化しないため、反応ガスの漏洩がない耐久性に優れた電解質膜−電極接合体10を製造することができる。
As described above, in the present embodiment, the hydrogen ions in the portions of the
(実施の形態3)
図4の(a)は、本発明の実施の形態3における燃料電池の概略構成を示す断面図であり、図4の(b)は、本発明の実施の形態3における燃料電池に組み込む単電池の概略構成を示す断面図である。
(Embodiment 3)
4A is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 4B is a single cell incorporated in the fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. It is sectional drawing which shows schematic structure of these.
図4の(a)に示すように、実施の形態3の燃料電池40は、単電池41を複数枚積み重ね、その両端に配置された一対の端板42を介して締結部材43で締結した燃料電池積層体を備える。
As shown in FIG. 4 (a), the
燃料電池40に組み込む単電池41は、図4の(b)に示すように、図1に示した電解質膜−電極接合体10と、電解質膜−電極接合体10に燃料ガスを供給するためのアノードセパレータ44と、酸化剤ガスを供給するためのカソードセパレータ45と、電解質膜−電極接合体10とアノードセパレータ44およびカソードセパレータ45を接合する接合部材46を備える。
As shown in FIG. 4B, the
本実施の形態の燃料電池40について、以下、その構成要素の材料や、構造および作用について具体的に説明する。なお、図4において、図1と同一の構成要素は同じ符号を用い、説明を省略する。
The
アノードセパレータ44およびカソードセパレータ45は、ガス遮断性と電子伝導性を有する部材から構成され、その表面には反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスを通流するためのガス供給溝が形成されている。
The
アノードセパレータ44のガス供給溝は電解質膜−電極接合体10のガス拡散層14に接して配置され、ガス拡散層14を介して、アノード触媒層12に燃料ガスを供給する。また、カソードセパレータ45のガス供給溝は電解質膜−電極接合体10のガス拡散層1
4に接して配置され、ガス拡散層14を介して、カソード触媒層13に酸化剤ガスを供給する。
The gas supply groove of the
4, and an oxidant gas is supplied to the
接合部材46は、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化性樹脂から構成されており、電解質膜−電極接合体10とアノードセパレータ44およびカソードセパレータ45を接合している。
The joining
以下、本実施の形態に係る燃料電池40に組み込む単電池41について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。
Hereinafter, the
(実施例3)
実施例1で作製した電解質膜−電極接合体Aの両面に、樹脂を含浸した黒鉛板からなるアノードセパレータ44とカソードセパレータ45を配置した後、電解質膜−電極接合体Aとアノードセパレータ44およびカソードセパレータ45の隙間に、接合部材46としてエポキシ樹脂(コニシ(株)製、商品名:ボンドクイック5)を充填し、50℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:CKM300)に1時間放置することで、エポキシ樹脂(コニシ(株)製、商品名:ボンドクイック5)を加熱硬化して、単電池(以下、単電池Aという。)を作製した。
(Example 3)
An
続いて、電解質膜−電極接合体Aの性能を調べ、燃料電池40の電池性能に及ぼす影響を調べるために、単電池Aについて電池性能評価試験を行った。
Subsequently, in order to examine the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly A and examine the influence on the battery performance of the
単電池Aの電池性能評価試験は、単電池Aのアノードセパレータ44のガス供給溝に二酸化炭素25%および一酸化炭素50ppmを含む水素を流し、カソードセパレータ45のガス供給溝には空気を流し、電池温度を80℃、燃料利用率を80%、空気利用率を40%、水素の露点を75℃、空気の露点を60℃に設定し、電流密度0.2A/cm2において連続して発電させたときの初期の電池電圧と、5000時間運転後の電池電圧を測定した。単電池Aの電池電圧は(表1)に示す通りであり、単電池Aは5000時間運転後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。
In the battery performance evaluation test of the unit cell A, hydrogen containing 25% carbon dioxide and 50 ppm carbon monoxide was allowed to flow through the gas supply groove of the
(実施例4)
実施例2で作製した電解質膜−電極接合体Bを用いて、実施例3に記載した手順と同一の手順により単電池(以下、単電池Bという。)を作製し、単電池Bについて、実施例3に記載した電池性能評価試験と同一の試験を行った。単電池Bの電池電圧は(表1)に示す通りであり、単電池Bは5000時間運転後においても電池電圧の低下はなく、優れた耐久性を示した。
Example 4
Using the electrolyte membrane-electrode assembly B produced in Example 2, a unit cell (hereinafter referred to as unit cell B) was produced by the same procedure as described in Example 3, and the unit cell B was carried out. The same test as the battery performance evaluation test described in Example 3 was performed. The battery voltage of the unit cell B is as shown in (Table 1), and the unit cell B did not decrease in battery voltage even after 5000 hours of operation and showed excellent durability.
(比較例1)
上述した実施例1の(1)〜(5)の工程を行い、ナフィオン112の両面の中央部にアノード触媒層とカソード触媒層を形成した。続いて、上述した実施例1の(6)の工程を行わず、ナフィオン112のアノード触媒およびカソード触媒が形成されていない部分の水素イオンは置換せず、水素イオンを含んだ状態で上述した実施例1の(7)の工程を行い、電解質膜−電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体Cという。)を作製した。
(Comparative Example 1)
The steps (1) to (5) of Example 1 described above were performed, and an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer were formed at the center of both surfaces of the Nafion 112. Subsequently, the step (6) of Example 1 described above is not performed, and the hydrogen ions in the portion where the anode catalyst and the cathode catalyst of the Nafion 112 are not formed are not replaced, and the above-described operation is performed in a state including hydrogen ions. The process of Example 1 (7) was performed to produce an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode assembly C).
次に、電解質膜−電極接合体Cを用いて、実施例3に記載した手順と同一の手順により単電池(以下、単電池Cという。)を作製し、単電池Cについて、実施例3に記載した電池性能評価試験と同一の試験を行った。 Next, using the electrolyte membrane-electrode assembly C, a unit cell (hereinafter referred to as unit cell C) is produced by the same procedure as described in Example 3, and the unit cell C is described in Example 3. The same test as the battery performance evaluation test described was performed.
単電池Cの電池電圧は下記の(表1)に示す通りであり、単位電池Cは5000時間運
転後において、電池電圧は低下し、実施例1、実施例2の単電池(単電池A,B)と比べると、耐久性に劣るものであった。
The battery voltage of the unit cell C is as shown in the following (Table 1). After the unit cell C has been operated for 5000 hours, the battery voltage decreases, and the unit cells of the first and second examples (unit cells A, A, Compared with B), the durability was inferior.
以上の結果を(表1)にまとめた。 The above results are summarized in (Table 1).
これは、電解質膜−電極接合体10を構成する電解質膜11の露出部11aは水素イオンを含んでいないため、電解質膜−電極接合体10の封止部16を形成する樹脂15は酸性雰囲気に曝されることはなく、経年的に劣化しないので、電解質膜−電極接合体10の耐久性が向上し、電解質膜−電極接合体10からの反応ガスの漏洩を防止することができたためと考えられる。
This is because the exposed
一方、比較例に係る単電池(単電池C)は、5000時間運転後において電池電圧は低下し、本実施例に係る単位電池(単位電池A,B)に比べると、耐久性に劣るものであった。 On the other hand, the unit cell (unit cell C) according to the comparative example has a lower battery voltage after 5000 hours of operation, and is inferior in durability to the unit cell (unit cells A and B) according to this example. there were.
これは、電解質膜−電極接合体を構成する電解質膜の露出部は水素イオンを含んでいるため、電解質膜−電極接合体の封止部を形成する樹脂が酸性雰囲気に曝されて経年的に劣化し、電解質膜−電極接合体から反応ガスが漏洩したためと考えられる。 This is because the exposed part of the electrolyte membrane constituting the electrolyte membrane-electrode assembly contains hydrogen ions, and the resin forming the sealing part of the electrolyte membrane-electrode assembly is exposed to an acidic atmosphere over time. It is considered that the reaction gas leaked from the electrolyte membrane-electrode assembly due to deterioration.
以上の単電池41の電池性能評価試験から、本実施の形態で用いた電解質膜−電極接合体A,Bは反応ガスの漏洩がなく優れた耐久性を示すことが確認でき、また、本実施の形態で作製された単位電池A,Bは電池電圧の低下がなく、優れた耐久性を示すことが確認できた。
From the battery performance evaluation test of the
以上のように、本実施の形態においては、電解質膜−電極接合体10を構成する電解質膜11を、アノード触媒層12とカソード触媒層13およびガス拡散層14で覆われずに径外方向に突出した露出部11aが実質的に水素イオンを含まないことにより、電解質膜−電極接合体10の耐久性を向上できるため、耐久性に優れた燃料電池40を実現することができる。このような燃料電池40は、電解質膜−電極接合体10からの反応ガスの漏洩を防止することができるので、長期に亘って電池電圧を維持し、安定した発電を継続することができる。
As described above, in the present embodiment, the
(変形例)
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。
(Modification)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to such an embodiment, and various configurations can be adopted without departing from the spirit of the present invention.
(変形例1)
上述の実施の形態では、電解質膜11としてナフィオン112を用いているが、電解質膜11としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含む水素イオン伝導性のフッ素系の樹脂を用いることができ、例えば、アシプレックス(登録商標)やフレミオン(登録商標)などの他の電解質膜を用いることができる。
(Modification 1)
In the above-described embodiment, Nafion 112 is used as the
また、電解質膜11として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いても構わない。
Further, as the
(変形例2)
上述の実施の形態では、電解質膜−電極接合体10の封止部16を形成する樹脂15として熱硬化性のエポキシ樹脂を用いているが、樹脂15としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂などのその他の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、ポリプロピレン、ポリイソブチレンなどの熱可塑性樹脂を用いても構わない。
(Modification 2)
In the above-described embodiment, a thermosetting epoxy resin is used as the
(変形例3)
上述の実施の形態では、電解質膜11に露出部11aを形成するために用いる処理液35として塩化ナトリウム水溶液、塩化アンモニウム水溶液を用いているが、処理液35としては、電解質膜11に含まれる水素イオンを中和できる塩基性の材料を用いることができ、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、希土類などの各種金属塩の溶液、過塩素酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、炭酸アンモニウムなどの各種非金属塩の溶液、メチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミンなどの各種アミンの溶液などを用いることができる。
(Modification 3)
In the above-described embodiment, a sodium chloride aqueous solution and an ammonium chloride aqueous solution are used as the
(変形例4)
上述の各実施の形態では、触媒として白金、ルテニウムを用いているが、触媒に、例えば、金、銀、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムなどの貴金属や、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、クロム、銅、亜鉛、モリブデン、タングステン、ゲルマニウム、錫などの卑金属、これら貴金属または卑金属の酸化物、錯体などの化合物、これら貴金属と卑金属との合金などを用いることができる。
(Modification 4)
In each of the embodiments described above, platinum and ruthenium are used as the catalyst. For the catalyst, for example, noble metals such as gold, silver, rhodium, palladium, osmium, iridium, iron, nickel, manganese, cobalt, chromium, Base metals such as copper, zinc, molybdenum, tungsten, germanium, and tin, oxides of these noble metals or base metals, compounds such as complexes, alloys of these noble metals and base metals, and the like can be used.
(変形例5)
上述の実施の形態においては、触媒としての白金やルテニウムを担持する炭素粉末としては、アセチレンブラック、ヴァルカンまたはケッチェンブラックなどを用いることができ、また、炭素粉末に代えて、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを用いることができる。
(Modification 5)
In the above-described embodiment, acetylene black, Vulcan, Ketjen black, or the like can be used as the carbon powder supporting platinum or ruthenium as a catalyst. In addition, for example, carbon nanotubes, In addition to carbon materials such as carbon nanofibers, carbon compounds such as silicon carbide can be used.
(変形例6)
上述の実施の形態においては、アイオノマーとしてナフィオン10%分散液を用いているが、アイオノマーとしては、耐熱性、耐薬品性に優れた酸性官能基を有する高分子を用いることができ、例えば、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロアルキルスルホン酸アオノマーをエチルアルコールなどの有機溶媒または水に分散させたものを用いることができる。
(Modification 6)
In the above-described embodiment, a
また、上述の実施の形態においては、触媒組成物を触媒粉末とアイオノマーおよび分散媒を用いて構成しているが、アイオノマーを用いることなく、触媒粉末と分散媒とから触媒組成物を構成してもよい。 In the above-described embodiment, the catalyst composition is composed of the catalyst powder, the ionomer, and the dispersion medium. However, the catalyst composition is composed of the catalyst powder and the dispersion medium without using the ionomer. Also good.
(変形例7)
上述の実施の形態における電解質膜−電極接合体の製造方法に係る各工程(S11〜S17)は、所望の電解質膜−電極接合体を製造可能であれば、特に制限されるものではなく、必要に応じて、工程順序を入れ替えてもよい。
(Modification 7)
Each step (S11 to S17) related to the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly in the above-described embodiment is not particularly limited as long as a desired electrolyte membrane-electrode assembly can be produced. Depending on, the process order may be changed.
以上のように、本発明に係る電解質膜−電極接合体は、反応ガスの漏洩を防止することができ、燃料電池に組み込んで使用する場合、長期に亘って電池電圧を維持し、安定した発電を継続することができるので、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源およびポータブル電源などに使用される燃料電池の用途に適用することができる。 As described above, the electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention can prevent leakage of the reaction gas, and when used in a fuel cell, maintains the battery voltage over a long period of time and generates stable power. Therefore, it can be applied to the use of fuel cells used for household cogeneration systems, power sources for electric vehicles, portable power sources, and the like.
10 電解質膜−電極接合体
11 電解質膜
11a 露出部
12 アノード触媒層
13 カソード触媒層
14 ガス拡散層
15 樹脂
16 封止部
40 燃料電池
41 単電池
44 アノードセパレータ
45 カソードセパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電解質膜より小さな面積で前記電解質膜の両主面の略中央に配置される触媒層と、
前記触媒層の外側に配置されるガス拡散層と、
前記電解質膜の前記触媒層および前記ガス拡散層で覆われずに径外方向に突出する露出部と前記触媒層および前記ガス拡散層とを接合する樹脂であって、前記触媒層および前記ガス拡散層を囲繞して配置される樹脂と、
を有する電解質膜−電極接合体であって、
前記電解質膜の前記露出部は、実質的に水素イオンを含まない電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane;
A catalyst layer disposed in the approximate center of both main surfaces of the electrolyte membrane with a smaller area than the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer disposed outside the catalyst layer;
A resin that joins the catalyst layer and the gas diffusion layer to an exposed portion that protrudes radially outward without being covered by the catalyst layer and the gas diffusion layer of the electrolyte membrane, the catalyst layer and the gas diffusion A resin arranged around the layers;
An electrolyte membrane-electrode assembly having
The exposed portion of the electrolyte membrane is an electrolyte membrane-electrode assembly substantially free of hydrogen ions.
前記電解質膜−電極接合体を両側から挟持する一対のセパレータと、
を有する燃料電池。 The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1,
A pair of separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly from both sides;
A fuel cell.
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CN114792811A (en) * | 2022-06-27 | 2022-07-26 | 浙江高成绿能科技有限公司 | Fuel cell membrane electrode and preparation method thereof |
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- 2016-11-21 JP JP2016225640A patent/JP2018085169A/en active Pending
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