JP2018133342A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2018133342A
JP2018133342A JP2018082044A JP2018082044A JP2018133342A JP 2018133342 A JP2018133342 A JP 2018133342A JP 2018082044 A JP2018082044 A JP 2018082044A JP 2018082044 A JP2018082044 A JP 2018082044A JP 2018133342 A JP2018133342 A JP 2018133342A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
gas diffusion
anode
cathode
catalyst 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.)
Granted
Application number
JP2018082044A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6655120B2 (en
Inventor
健太 奥
Kenta Oku
健太 奥
年坊 万
Nianfeng Wan
年坊 万
暁 村川
Akira Murakawa
暁 村川
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 JP2018082044A priority Critical patent/JP6655120B2/en
Publication of JP2018133342A publication Critical patent/JP2018133342A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6655120B2 publication Critical patent/JP6655120B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell which has the strength against folding and which can suppress the decrease in amount of power generation.SOLUTION: A fuel cell comprises a membrane-electrode assembly 11 held between a pair of separators 14, 15 and a pair of gaskets 18, 19. The membrane-electrode assembly includes: a polymer electrolyte membrane 111; an anode catalyst layer 112 and a cathode catalyst layer 113; an anode gas diffusion layer 114 and a cathode gas diffusion layer 115; a frame-like first reinforcement layers 116A, 116B provided on an outer edge of a first primary face of the polymer electrolyte membrane or an outer edge of a second primary face on at least one side so that its inner edge portion never overlaps with the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer in position; and a frame-like second reinforcement layers 117A, 117B provided so that its inner edge portion overlaps with an outer edge of the anode gas diffusion layer or an outer edge of the cathode gas diffusion layer on the at least one side.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。   The present invention relates to 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、耐折強さが低下するおそれがある。   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 possibility that the outer peripheral edge peels off and the bending strength is lowered.

本発明が解決しようとする課題は、耐折強さ及び発電量の低下を抑制できる燃料電池を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell that can suppress a decrease in bending strength and 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、前記高分子電解質膜の外縁より小さい外縁を有する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、前記高分子電解質膜の前記第１主面上の外縁部又は前記第２主面上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が前記アノード触媒層又は前記カソード触媒層に重ならないように設けられた額縁状の第１補強層と、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前記一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第２補強層と、を備える膜電極接合体、前記膜電極接合体を挟むように設けられた一対のセパレータ、及び前記膜電極接合体と前記一対のセパレータとのそれぞれの間の前記アノードガス拡散層又は前記カソードガス拡散層の周囲に設けられたガスケットを含む燃料電池によって上記課題を解決する。   The present invention provides a polymer electrolyte membrane, and an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer that are provided on each of the first main surface and the second main surface of the polymer electrolyte membrane and have outer edges smaller than the outer edges of the polymer electrolyte membrane. And an anode gas diffusion layer formed in the same outer edge shape as the anode catalyst layer, and provided on the anode catalyst layer so that the outer edges are aligned, and formed in the same outer edge shape as the cathode catalyst layer. At least one of the cathode gas diffusion layer provided so that the outer edges are aligned and the outer edge on the first main surface or the outer edge on the second main surface of the polymer electrolyte membrane has an inner edge A frame-shaped first reinforcing layer provided so as not to overlap the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer, and a small number of outer edges on the anode gas diffusion layer or outer edges on the cathode gas diffusion layer A membrane-shaped electrode assembly having a frame-like second reinforcing layer provided so that the inner edge portion overlaps the one side, a pair of separators provided so as to sandwich the membrane electrode assembly, and the membrane The above problem is solved by a fuel cell including a gasket provided around the anode gas diffusion layer or the cathode gas diffusion layer between the electrode assembly and the pair of separators.

本発明によれば、第１補強層を高分子電解質膜の主面上の外縁部に設けているので、機械的強度が低く脱吸水により膨張・収縮し易い高分子電解質膜であってもその機械的強度を補強して膨張・収縮を抑制することができる。一方において、第２補強層の内縁部がガス拡散層の外縁部と重なるように設けているので、第２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剥がれによる耐折強さの低下を抑制することができる。   According to the present invention, since the first reinforcing layer is provided on the outer edge on the main surface of the polymer electrolyte membrane, even if the polymer electrolyte membrane is low in mechanical strength and easily expands and contracts due to desorption water, Expansion and contraction can be suppressed by reinforcing the mechanical strength. On the other hand, since the inner edge of the second reinforcing layer is provided so as to overlap the outer edge of the gas diffusion layer, the outer edge of the gas diffusion layer can be sufficiently pressed and supported by the inner edge of the second reinforcing layer. Thus, it is possible to suppress a decrease in bending strength due to peeling of the gas diffusion layer.

これに加えて、第１補強層によって高分子電解質膜の膨張・収縮を抑制でき、第２補強層によってガス拡散層の剥がれを抑制できることから、高分子電解質膜とガス拡散層との、製造時及び使用時の両方を含む位置ずれが抑制されるので、これらの位置ずれに起因する発電量の低下も抑制することができる。   In addition, since the first reinforcing layer can suppress the expansion / contraction of the polymer electrolyte membrane and the second reinforcing layer can suppress the peeling of the gas diffusion layer, the production of the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer can be suppressed. Since the displacement including both during use and the displacement is suppressed, a decrease in the amount of power generated due to these displacements can also be suppressed.

本発明の一実施の形態に係る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 according to an embodiment of the present invention. 図１の膜電極接合体を示す分解断面図である。FIG. 2 is an exploded cross-sectional view showing the membrane electrode assembly of FIG. 1. 図１の高分子電解質膜及びアノード触媒層を示す平面図である。It is a top view which shows the polymer electrolyte membrane and anode catalyst layer of FIG. 図１の第１補強層を示す平面図である。It is a top view which shows the 1st reinforcement layer of FIG. 図１の第２補強層を示す平面図である。It is a top view which shows the 2nd reinforcement layer of FIG. 図１の高分子電解質膜とアノード触媒層と第１補強層とをこの順序で下から上へ積層した状態を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a state in which the polymer electrolyte membrane, the anode catalyst layer, and the first reinforcing layer of FIG. 1 are stacked in this order from the bottom to the top. 図１の高分子電解質膜とアノード触媒層とアノードガス拡散層と第１補強層と第２補強層とをこの順序で下から上へ積層した状態を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a state in which the polymer electrolyte membrane, the anode catalyst layer, the anode gas diffusion layer, the first reinforcing layer, and the second reinforcing layer of FIG. 1 are stacked in this order from the bottom to the top. 図１の膜電極接合体のうち高分子電解質膜の両主面に第１補強層を積層する工程を説明するための分解断面図である。FIG. 2 is an exploded cross-sectional view for explaining a step of laminating a first reinforcing layer on both main surfaces of a polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of FIG. 1. 図１の触媒層を形成する際のスクリーン印刷装置にセットされる治具の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the jig | tool set to the screen printing apparatus at the time of forming the catalyst layer of FIG. 図１の高分子電解質膜にガス拡散層及び第２補強層を積層する工程を説明するための分解断面図である。FIG. 3 is an exploded cross-sectional view for explaining a step of laminating a gas diffusion layer and a second reinforcing layer on the polymer electrolyte membrane 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。なお以下において、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３を総称する場合は単に触媒層１１２，１１３ともいい、アノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５を総称する場合は単にガス拡散層１１４，１１５ともいう。   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). In the following description, when the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are collectively referred to as the catalyst layers 112 and 113, they are also simply referred to as the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115. Also called.

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１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 1 such as a rectangle, a circle, an ellipse, or a polygon. The anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are the outer edges of the polymer electrolyte membrane 111. The shape is an appropriate shape such as a rectangle, a circle, an ellipse, or a polygon having a smaller 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 Co., Ltd., manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. 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。   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.

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。   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］ ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
という酸化反応が生じ、カソードにおいては、
［数２］ １／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
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、図１及び図２に示すように、高分子電解質膜１１１の機械的強度を高めて膨張・収縮を抑制するために、高分子電解質膜１１１の上面の外縁部に、その内縁部がアノード触媒層１１２及びアノードガス拡散層１１４に重ならないように設けられた額縁状の第１補強層１１６Ａを有し、高分子電解質膜１１１の下面の外縁部に、その内縁部がカソード触媒層１１３及びカソードガス拡散層１１５に重ならないように設けられた額縁状の第１補強層１１６Ｂと、を有する。なお、高分子電解質膜１１１の機械的強度をより高めるためには第１補強層１１６Ａ及び１１６Ｂの両方を備えることが好ましいが、本発明の燃料電池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。   As shown in FIGS. 1 and 2, the membrane electrode assembly 11 of this example has an upper surface of the polymer electrolyte membrane 111 in order to increase the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane 111 and suppress expansion and contraction. A first reinforcing layer 116A having a frame shape provided so that the inner edge thereof does not overlap the anode catalyst layer 112 and the anode gas diffusion layer 114, and is provided on the outer edge of the lower surface of the polymer electrolyte membrane 111. The frame-shaped first reinforcing layer 116B is provided so that the inner edge thereof does not overlap the cathode catalyst layer 113 and the cathode gas diffusion layer 115. In order to further increase the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane 111, it is preferable to provide both the first reinforcing layers 116A and 116B. However, at least one of the membrane electrode assemblies of the fuel cell of the present invention is provided. You should prepare.

またこれに加えて本例の膜電極接合体１１は、図１及び図２に示すように、ガス拡散層１１４，１１５の剥がれによる耐折強さの低下を抑制するために、アノードガス拡散層１１４の外縁部及び第１補強層１１６Ａの上面に、その内縁部がアノードガス拡散層１１４の外縁部に重なるように設けられた額縁状の第２補強層１１７Ａと、カソードガス拡散層１１５の外縁部及び第１補強層１１６Ｂの下面に、その内縁部がカソードガス拡散層１１５の外縁部に重なるように設けられた額縁状の第２補強層１１７Ｂと、を有する。なお、ガス拡散層１１４，１１５の剥がれをより防止するためには第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂの両方を備えることが好ましいが、本発明の燃料電池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。   In addition to this, as shown in FIGS. 1 and 2, the membrane electrode assembly 11 of the present example has an anode gas diffusion layer in order to suppress a decrease in bending strength due to peeling of the gas diffusion layers 114 and 115. A frame-shaped second reinforcing layer 117A provided on the outer edge of 114 and the upper surface of the first reinforcing layer 116A so that the inner edge overlaps the outer edge of the anode gas diffusion layer 114, and the outer edge of the cathode gas diffusion layer 115 And a second reinforcing layer 117B having a frame shape provided so that the inner edge of the first reinforcing layer 116B overlaps the outer edge of the cathode gas diffusion layer 115. In order to further prevent the gas diffusion layers 114 and 115 from peeling off, it is preferable to provide both of the second reinforcing layers 117A and 117B, but at least one of the membrane electrode assemblies of the fuel cell of the present invention is provided. You should prepare.

本例の第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂ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。補強対象物の材質、耐熱性、剛性、コスト、接着性などの総合的観点から、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂと第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂは同じ材料で構成することが好ましい。ただし、異なる材料で構成する場合は、ガス拡散層１１４，１１５との接着性の観点から、第１補強層１１６Ａ，１１６ＢにはポリテトラフルオロエチレンＰＴＦＥを用い、第２補強層１１７Ａ，１１７ＢにはポリエチレンテレフタレートＰＥＴ又は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 layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B 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, or the like can be used. It is preferable that the first reinforcement layers 116A and 116B and the second reinforcement layers 117A and 117B are made of the same material from the comprehensive viewpoints of the material to be reinforced, heat resistance, rigidity, cost, adhesion, and the like. However, in the case of using different materials, from the viewpoint of adhesion to the gas diffusion layers 114 and 115, polytetrafluoroethylene PTFE is used for the first reinforcing layers 116A and 116B, and the second reinforcing layers 117A and 117B are used. More preferably, polyethylene terephthalate PET or polyethylene naphthalate PEN is used.

本例の第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂの、補強対象物との接着面である一主面には、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１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂ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 of the first reinforcing layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B in this example, which is an adhesive surface with the object to be reinforced. 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 layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B are bonded by hot pressing at the reaction temperature of the adhesive, they are made of a material having a melting point higher than the reaction temperature of the adhesive. It is necessary to be.

図３〜図５は、本例の膜電極接合体１１を構成する高分子電解質膜１１１、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３、アノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ、第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂの平面視における寸法関係を説明する平面図である。なお、各構成部材はその中心が一致するように積層される。   3 to 5 show the polymer electrolyte membrane 111, the anode catalyst layer 112, the cathode catalyst layer 113, the anode gas diffusion layer 114, the cathode gas diffusion layer 115, and the first reinforcing layer that constitute the membrane electrode assembly 11 of this example. It is a top view explaining the dimensional relationship in planar view of 116A, 116B and 2nd reinforcement layer 117A, 117B. Each component member is laminated so that the centers thereof coincide.

たとえば、全ての構成部材を平面視において矩形形状に形成した場合、図３に示すように、縦Ｘ１，横Ｙ１の高分子電解質膜１１１に対してアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３は、それより小さい縦Ｘ２，横Ｙ２の外縁を有する（Ｘ１＞Ｘ２，Ｙ１＞Ｙ２）。また、図４に示す第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂは、縦Ｘ１，横Ｙ１の高分子電解質膜１１１に対して、それより大きい縦Ｘ３，横Ｙ３の外縁を有し（Ｘ３＞Ｘ１，Ｙ３＞Ｙ１）、縦Ｘ２，横Ｙ２のアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３に対し、それより大きい縦Ｘ４，横Ｙ４の内縁を有する（Ｘ４＞Ｘ２，Ｙ４＞Ｙ２）。さらに、図５に示す第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂは、縦Ｘ１，横Ｙ１の高分子電解質膜１１１より大きく、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂと同じ縦Ｘ３，横Ｙ３の外縁を有し（Ｘ３＞Ｘ１，Ｙ３＞Ｙ１）、縦Ｘ２，横Ｙ２のアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３と同じ縦Ｘ２，横Ｙ２のアノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５に対し、それより小さい縦Ｘ５，横Ｙ５の内縁を有する（Ｘ５＜Ｘ２，Ｙ５＜Ｙ２）。   For example, when all the constituent members are formed in a rectangular shape in plan view, as shown in FIG. 3, the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are arranged on the polymer electrolyte membrane 111 in the vertical X1 and horizontal Y1 directions. It has smaller outer edges of length X2 and width Y2 (X1> X2, Y1> Y2). Further, the first reinforcing layers 116A and 116B shown in FIG. 4 have larger outer edges of X3 and Y3 with respect to the polymer electrolyte membrane 111 of X1 and Y1 (X3> X1, Y3>). Y1) With respect to the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 in the vertical X2 and horizontal Y2, it has a larger inner edge in the vertical X4 and horizontal Y4 (X4> X2, Y4> Y2). Further, the second reinforcing layers 117A and 117B shown in FIG. 5 are larger than the polymer electrolyte membrane 111 of the vertical X1 and horizontal Y1, and have the same outer edges of the vertical X3 and horizontal Y3 as the first reinforcing layers 116A and 116B (X3). > X1, Y3> Y1), the vertical X2 is smaller than the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 in the same vertical X2 and horizontal Y2 as the anode catalyst layer 112 and cathode catalyst layer 113 in the vertical X2 and horizontal Y2. , The inner edge of the horizontal Y5 (X5 <X2, Y5 <Y2).

図６は、高分子電解質膜１１１とアノード触媒層１１２と第１補強層１１６Ａとをこの順序で下から上へ積層した状態の平面図であり、第１補強層１１６Ａの外縁は高分子電解質膜１１１の外縁より大きく、第１補強層１１６Ａの内縁はアノード触媒層１１２の外縁より大きく高分子電解質膜１１１の外縁より小さい。なお、高分子電解質膜１１１とカソード触媒層１１３と第１補強層１１６Ｂの関係もこれと同じである。   FIG. 6 is a plan view of a state in which the polymer electrolyte membrane 111, the anode catalyst layer 112, and the first reinforcing layer 116A are stacked in this order from the bottom to the top, and the outer edge of the first reinforcing layer 116A is the polymer electrolyte membrane. The inner edge of the first reinforcing layer 116 </ b> A is larger than the outer edge of the anode catalyst layer 112 and smaller than the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111. The relationship among the polymer electrolyte membrane 111, the cathode catalyst layer 113, and the first reinforcing layer 116B is the same.

図７は、高分子電解質膜１１１と、第１補強層１１６Ａと、アノード触媒層１１２と、アノードガス拡散層１１４と、第２補強層１１７Ａとをこの順序で下から上へ積層した状態の平面図であり、アノード触媒層１１２の外縁はアノードガス拡散層１１４の外縁と同じであるため図示を省略し、また第１補強層１１６Ａも省略した図である。第２補強層１１７Ａの外縁は高分子電解質膜１１１の外縁より大きく、第２補強層１１７Ａの内縁は高分子電解質膜１１１の外縁及びアノードガス拡散層１１４の外縁より小さい。なお、高分子電解質膜１１１とカソードガス拡散層１１５と第２補強層１１７Ｂの関係もこれと同じである。   7 is a plan view showing a state in which the polymer electrolyte membrane 111, the first reinforcing layer 116A, the anode catalyst layer 112, the anode gas diffusion layer 114, and the second reinforcing layer 117A are laminated in this order from the bottom to the top. In this figure, the outer edge of the anode catalyst layer 112 is the same as the outer edge of the anode gas diffusion layer 114, and therefore the illustration is omitted, and the first reinforcing layer 116A is also omitted. The outer edge of the second reinforcing layer 117A is larger than the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111, and the inner edge of the second reinforcing layer 117A is smaller than the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111 and the outer edge of the anode gas diffusion layer 114. The relationship among the polymer electrolyte membrane 111, the cathode gas diffusion layer 115, and the second reinforcing layer 117B is the same as this.

このように本例の額縁状の第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂは、その内縁がアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３と重ならないように高分子電解質膜１１１の外縁部に積層されている。第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂの内縁をアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３に重ねると、これら触媒層１１２，１１３の剥がれが抑制される反面、発電面積が減少するので起電力の低下につながる。したがって、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂの内縁が触媒層１１２，１１３の外縁に近接するように積層すると高分子電解質膜１１１の剛性向上及び発電量の減少抑制の両面において好ましい。なお発電面積とは、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それぞれの面積をいう。   Thus, the frame-shaped first reinforcing layers 116A and 116B of this example are laminated on the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111 so that the inner edges thereof do not overlap the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113. When the inner edges of the first reinforcing layers 116A and 116B are overlapped with the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113, peeling of the catalyst layers 112 and 113 is suppressed, but the power generation area is reduced, leading to a decrease in electromotive force. Therefore, it is preferable to stack the first reinforcing layers 116A and 116B so that the inner edges of the first reinforcing layers 116A and 116B are close to the outer edges of the catalyst layers 112 and 113 in terms of improving the rigidity of the polymer electrolyte membrane 111 and suppressing the decrease in power generation amount. The power generation area is an area where the oxidation reaction at the anode and the reduction reaction at the cathode described above can occur effectively, and means the areas of the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113, respectively.

本例の第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ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を形成したのち当該高分子電解質膜１１１の両主面に積層してもよいが、アノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３を高分子電解質膜１１１の両主面に形成する前に積層することが好ましい。高分子電解質膜１１１は、その製造時においてアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３のペーストに含まれる水分によって膨張・収縮するため、触媒層１１２，１１３を形成する前に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂを積層して剛性を高めておけばこのような膨張・収縮を抑制することができ、構成部材の位置ずれによる発電面積の減少を抑制することができる。   The first reinforcing layers 116 </ b> A and 116 </ b> B in this example may be laminated on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 after forming the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111. The anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are preferably laminated before being formed on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111. Since the polymer electrolyte membrane 111 is expanded and contracted by moisture contained in the paste of the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 during the production thereof, the first reinforcing layers 116A and 116B are formed before the catalyst layers 112 and 113 are formed. If the rigidity is increased by stacking layers, it is possible to suppress such expansion / contraction, and it is possible to suppress the reduction of the power generation area due to the displacement of the constituent members.

これに対して、本例の額縁状第２補強層１１７Ａは、その内縁部がアノードガス拡散層１１４の外縁部に重なるように積層され、同様に、額縁状第２補強層１１７Ｂは、その内縁部がカソードガス拡散層１１５の外縁部に重なるように積層されている。なお、第２補強層１１７Ａとアノードガス拡散層１１４との重なり条件と、第２補強層１１７Ｂとカソードガス拡散層１１５との重なり条件は同じである。   On the other hand, the frame-shaped second reinforcing layer 117A of this example is laminated so that the inner edge overlaps the outer edge of the anode gas diffusion layer 114. Similarly, the frame-shaped second reinforcing layer 117B has the inner edge. The layers are stacked so as to overlap the outer edge of the cathode gas diffusion layer 115. The overlapping condition between the second reinforcing layer 117A and the anode gas diffusion layer 114 and the overlapping condition between the second reinforcing layer 117B and the cathode gas diffusion layer 115 are the same.

本例の膜電極接合体１１のように、アノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５の上面に第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂを重ねると、当該アノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５の外縁からの剥がれが抑制される一方、アノードガス拡散層１１４及びカソードガス拡散層１１５の外縁部の表面が第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂにより覆われるため、見かけ上の発電面積が減少することになる。ただし、ガス拡散層１１４，１１５の外縁部に導入されたメタノールや酸素は、当該ガス拡散層１１４，１１５の拡散作用によって触媒層１１２，１１３の外縁まで廻り込んで到達する。したがって、この重なり面積を適切な値に設定することでガス拡散層１１４，１１５の剥がれ防止と発電量低下防止の両立を図ることができる。   As in the membrane electrode assembly 11 of this example, when the second reinforcing layers 117A and 117B are stacked on the upper surfaces of the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115, the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 are formed. While peeling from the outer edge is suppressed, the surfaces of the outer edge portions of the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 are covered with the second reinforcing layers 117A and 117B, so that the apparent power generation area is reduced. . However, the methanol and oxygen introduced into the outer edges of the gas diffusion layers 114 and 115 reach the outer edges of the catalyst layers 112 and 113 by the diffusion action of the gas diffusion layers 114 and 115. Therefore, by setting this overlapping area to an appropriate value, it is possible to achieve both prevention of peeling of the gas diffusion layers 114 and 115 and prevention of a decrease in power generation amount.

第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂ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１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂ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１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂの各内縁に生じる段差が大きくなるので、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂにあってはアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３の端部に空洞が発生し、第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂにあってはアノードガス拡散層１１４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。   The thickness of the first reinforcing layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B is preferably 12.5 to 125 μm including the adhesive. Although the purpose of improving the mechanical strength of the membrane electrode assembly 11 can be achieved even if the thickness of the first reinforcing layer 116A, 116B and the second reinforcing layer 117A, 117B is less than 12.5 μm, the drawback of being easy to break. Workability is impaired. If the thickness exceeds 125 μm, the steps generated at the inner edges of the first reinforcing layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B become large. Therefore, in the first reinforcing layers 116A and 116B, the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst. There is a possibility that a cavity is generated at the end of the layer 113 and a cavity is generated at the ends of the anode gas diffusion layer 114 and the cathode gas diffusion layer 115 in the second reinforcing layers 117A and 117B, and the electromotive force is reduced. is there.

本例の第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂ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１１６Ａ，１１６Ｂ，１１７Ａ，１１７Ｂ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１１２，１１３及びガス拡散層１１４，１１５を含めた膜電極接合体１１の機械的強度が向上する。なお、本発明の燃料電池の膜電極接合体にあっては第１補強層１１６Ａ及び第２補強層１１７Ａ又は第１補強層１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ｂ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、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂ、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１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂの両方を設けることが最も好ましい。   The outer edge portions of the first reinforcing layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B in this example extend so as to cover the end portions of the polymer electrolyte membrane 111, and both the reinforcing layers 116A, 116B, 117A, and 117B are formed. It is pasted together. Thereby, the mechanical strength of the membrane electrode assembly 11 including the polymer electrolyte membrane 111, the catalyst layers 112 and 113, and the gas diffusion layers 114 and 115 is improved. In the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, if at least one of the first reinforcing layer 116A and the second reinforcing layer 117A or the first reinforcing layer 116B and the second reinforcing layer 117B is provided, the mechanical strength is improved. Although the purpose of improvement can be achieved, the first reinforcing layers 116A and 116B, the second reinforcing layers 117A and 117B, the gas diffusion layers 115 and 116, and the polymer electrolyte membrane 111 are basically bonded to each other by bonding different materials. Therefore, there is a possibility of warping depending on the operating temperature. Therefore, it is most preferable to provide both the first reinforcing layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B as in this example.

なお、図１に符号Ｓの点線円で示す部分、つまりアノード触媒層１１２の外縁と第１補強層１１６Ａの内縁との間、カソード触媒層１１３の外縁と第１補強層１１６Ｂの内縁との間には、それぞれ第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂが熱圧着により押し込まれて充填されることが好ましい。ここに空間が生じると燃料が浸入し、高分子電解質膜１１１が膨潤したり触媒層１１２，１１３やガス拡散層１１４，１１５が剥離したりするおそれがあるからである。   In FIG. 1, a portion indicated by a dotted circle S, that is, between the outer edge of the anode catalyst layer 112 and the inner edge of the first reinforcing layer 116A, and between the outer edge of the cathode catalyst layer 113 and the inner edge of the first reinforcing layer 116B. The second reinforcing layers 117A and 117B are preferably pressed and filled by thermocompression bonding. This is because if the space is generated, the fuel may invade and the polymer electrolyte membrane 111 may swell or the catalyst layers 112 and 113 and the gas diffusion layers 114 and 115 may peel off.

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。なお、以下に説明する製造方法は単なる一例であって、本発明に係る燃料電池の膜電極接合体を何ら限定するものではない。   Next, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 11 of this example is demonstrated. In addition, the manufacturing method demonstrated below is only an example, Comprising: The membrane electrode assembly of the fuel cell which concerns on this invention is not limited at all.

図８は、ホットプレス機５を用いて本例の膜電極接合体１１のうち高分子電解質膜１１１の両主面に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂを積層する工程を説明するための分解断面図である。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。   FIG. 8 is an exploded cross-sectional view for explaining a step of laminating the first reinforcing layers 116A and 116B on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 in the membrane electrode assembly 11 of this example using the hot press machine 5. It is. 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.

本例の高分子電解質膜１１１及び第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ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１１６Ａ，１１６Ｂの四隅にも、図３及び図４に示すように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が形成されている。   After the polymer electrolyte membrane 111 and the first reinforcing layers 116 </ b> A and 116 </ b> B of this example are 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, while the positioning and fixing pins 54 are also provided at the four corners of the polymer electrolyte membrane 111 and the first reinforcing layers 116A and 116B as shown in FIGS. Positioning and fixing holes 111h and 116h are formed at positions corresponding to the above.

ホットプレス機５の治具５３に対しては、高分子電解質膜１１１及び第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂを各層の積層順にセットする。すなわち、第１補強層１１６Ｂの４つの位置決め固定用孔１１６ｈ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に載置し、最後に第１補強層１１６Ｂの４つの位置決め固定用孔１１６ｈ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。   For the jig 53 of the hot press machine 5, the polymer electrolyte membrane 111 and the first reinforcing layers 116A and 116B are set in the stacking order of each layer. That is, the four positioning fixing holes 116h of the first reinforcing layer 116B are placed on the jig 53 while being inserted into the four positioning fixing pins 54 of the jig 53, and then the four positioning fixings of the polymer electrolyte membrane 111 are performed. The holes 111h are placed on the jig 53 while being inserted into the four positioning / fixing pins 54 of the jig 53. Finally, the four positioning / fixing holes 116h of the first reinforcing layer 116B are positioned on the four positions of the jig 53. It is placed on the jig 53 while being inserted into the fixing pin 54.

以上のようにして高分子電解質膜１１１及び第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ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１１６Ａ，１１６Ｂに形成された接着剤が反応して、高分子電解質膜１１１の両主面の外縁部に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂが強固に接着することになる。   When the polymer electrolyte membrane 111 and the first reinforcing layers 116A and 116B are set on the jig 53 as described above, this is set on the hot press machine 5, and the first hot platen 51 and the second hot platen 52 are set at a predetermined temperature. Then, the pressure cylinder 55 is driven to lower the second hot platen 52, and a predetermined pressure is applied for a predetermined time. As a result, the adhesive formed on the first reinforcing layers 116A and 116B reacts, and the first reinforcing layers 116A and 116B are firmly bonded to the outer edge portions of both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111.

次に、図８に示すホットプレスにより形成された、両主面の外縁部に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂが積層された高分子電解質膜１１１の中央の両主面にアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３をスクリーン印刷法により形成する。図９は、図示しないスクリーン印刷装置にセットされる治具６を示す断面図であり、この治具６には、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂが積層された高分子電解質膜１１１を位置決めして固定するための枠体面６１が形成されている。この位置決め固定用枠対面６１に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂが積層された高分子電解質膜１１１の外縁を揃えて位置決めすることで、スクリーン印刷装置の基準位置との位置精度が向上する。なお、高分子電解質膜１１１の位置決め法は枠体面６１を用いるほか、高分子電解質膜１１１に形成された位置決め固定用孔１１１ｈ及び第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂに形成された位置決め固定用孔１１６ｈを用いてもよい。   Next, the anode catalyst layer 112 and the cathode are formed on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 formed by hot pressing shown in FIG. 8 and having the first reinforcing layers 116A and 116B laminated on the outer edge portions of both main surfaces. The catalyst layer 113 is formed by a screen printing method. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a jig 6 set in a screen printing apparatus (not shown). In this jig 6, the polymer electrolyte membrane 111 on which the first reinforcing layers 116A and 116B are laminated is positioned. A frame surface 61 for fixing is formed. By aligning and positioning the outer edge of the polymer electrolyte membrane 111 in which the first reinforcing layers 116A and 116B are laminated on the positioning and fixing frame facing surface 61, the positional accuracy with respect to the reference position of the screen printing apparatus is improved. In addition, the positioning method of the polymer electrolyte membrane 111 uses the frame body surface 61, and includes positioning positioning holes 111h formed in the polymer electrolyte membrane 111 and positioning fixing holes 116h formed in the first reinforcing layers 116A and 116B. It may be used.

次に、この治具６をスクリーン印刷装置にセットし、当該分野において公知のスクリーン印刷法によりアノード触媒層１１２を構成するペーストを高分子電解質膜１１１の中央に印刷し、乾燥させる。これにより、高分子電解質膜１１１の所定位置にアノード触媒層１１２が形成されることになる。そして、高分子電解質膜１１１を裏返し、同様にして他方の面にカソード触媒層１１３を構成するペーストをスクリーン印刷法により印刷し、乾燥させる。これにより、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が形成される。こうしたアノード触媒層１１２及びカソード触媒層１１３のペーストには水分が含まれ、高分子電解質膜１１１はこうした水分によって膨張・収縮する特性を有するが、これら触媒層１１２，１１３を形成する前に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂが積層されて機械的強度が高くなっているので、このような膨張・収縮を抑制することができ、構成部材の位置ずれによる発電面積の減少を抑制することができる。   Next, the jig 6 is set in a screen printing apparatus, and a paste constituting the anode catalyst layer 112 is printed on the center of the polymer electrolyte membrane 111 by a screen printing method known in the art and dried. As a result, the anode catalyst layer 112 is formed at a predetermined position of the polymer electrolyte membrane 111. Then, the polymer electrolyte membrane 111 is turned over, and the paste constituting the cathode catalyst layer 113 is printed on the other surface in the same manner by screen printing and dried. Thereby, the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are formed at predetermined positions on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111. The paste of the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 contains moisture, and the polymer electrolyte membrane 111 has a characteristic of expanding and contracting due to such moisture, but before forming these catalyst layers 112 and 113, the first Since the reinforcing layers 116A and 116B are laminated to increase the mechanical strength, such expansion / contraction can be suppressed, and a reduction in the power generation area due to the displacement of the constituent members can be suppressed.

図１０は、ホットプレス機５を用いて、両主面に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂが積層され、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に、ガス拡散層１１４，１１５及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂを積層する工程を説明するための分解断面図である。ホットプレス機５の構成は図８に示すものと同じであるためその説明は省略する。   FIG. 10 shows a gas diffusion layer formed on the polymer electrolyte membrane 111 in which the first reinforcing layers 116A and 116B are laminated on both main surfaces and the anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 are formed using the hot press machine 5. FIG. 11 is an exploded cross-sectional view for explaining a process of laminating 114 and 115 and second reinforcing layers 117A and 117B. Since the configuration of the hot press machine 5 is the same as that shown in FIG.

ホットプレス機５の治具５３に対して、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１１７Ｂ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１１７Ｂ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１１７Ｂの上に載置する。   It sets to the jig | tool 53 of the hot press machine 5 in the lamination | stacking order of each layer which comprises the membrane electrode assembly 11. FIG. That is, the four positioning fixing holes 117h of the second reinforcing layer 117B are placed on the jig 53 while being inserted into the four positioning fixing pins 54 of the jig 53, and then the opening at the inner edge of the second reinforcing layer 117B. The cathode gas diffusion layer 115 is placed on the second reinforcing layer 117B with reference to the positioning reference.

後述するアノードガス拡散層１１４の場合も同じであるが、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１１７Ｂ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１１７Ｂ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１１７Ｂ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１１７Ｂ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１１７Ｂの上に載置すればよい。   The same applies to the anode gas diffusion layer 114 described later, but without using the alignment between the positioning and fixing pins 54 and the positioning and fixing holes 111h, 116h, and 117h, the opening at the inner edge of the second reinforcing layer 117B is formed. In order to place the cathode gas diffusion layer 115 on the second reinforcing layer 117B using the positioning reference, the second reinforcing layer 117B placed on the jig 53 and the cathode to be set next are fixed by a fixed camera. The gas diffusion layer 115 is photographed, and the robot or the like 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 reinforcing layer 117B, and the cathode gas diffusion is performed so as to become a predetermined position. The layer 115 may be placed on the second reinforcing layer 117B.

次いで、両主面に第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂが積層され、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２補強層１１７Ａ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に載置する。   Next, the first reinforcing layers 116A and 116B are laminated on both main surfaces, and 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 are formed in the four jigs 53. It is placed on the jig 53 while being inserted into the positioning and fixing pins 54. 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 117 h of the second reinforcing layer 117 A are placed on the jig 53 while being inserted into the four positioning fixing pins 54 of the jig 53.

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２補強層１１７Ａ，１１７Ｂに形成された接着剤が反応して両補強層１１６Ａ，１１６Ｂ，１１７Ａ，１１７Ｂ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. As a result, the adhesive formed on the second reinforcing layers 117A and 117B reacts and the two reinforcing layers 116A, 116B, 117A, and 117B are firmly bonded. 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、
カソード触媒層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１１６Ａ，１１６Ｂとして、外縁の縦２１０ｍｍ、外縁の横２１０ｍｍ、内縁の縦１５０ｍｍ、内縁の横１３２ｍｍ、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
第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂとして、外縁の縦２１０ｍｍ、外縁の横２１０ｍｍ、内縁の縦１４２ｍｍ、内縁の横１２４ｍｍ、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。 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 layer 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 layers 116A and 116B, 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 150 mm, an inner edge width of 132 mm, and a thickness of 25 μm is used. As the layers 117A and 117B, a polyethylene naphthalate film (Teonex manufactured by Teijin DuPont Films) having an outer edge length of 210 mm, an outer edge length of 210 mm, an inner edge length of 142 mm, an inner edge width of 124 mm, and a thickness of 25 μm was used.

まず高分子電解質膜１１１の両主面の外縁部に、図８に示すように第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂを積層し、次いで図９に示すように、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をスクリーン印刷法により印刷し、乾燥させた。そして、図１０に示すように第２補強層１１７Ｂ、カソードガス拡散層１１５、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び触媒層１１２，１１３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２補強層１１７Ａ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, first reinforcing layers 116A and 116B are laminated on the outer edge portions of both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 as shown in FIG. 8, and then on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 111 as shown in FIG. The anode catalyst layer 112 and the cathode catalyst layer 113 were printed by a screen printing method and dried. As shown in FIG. 10, the polymer electrolyte membrane 111, the anode gas diffusion layer 114, the first reinforcement layer 117B, the cathode gas diffusion layer 115, the first reinforcement layers 116A and 116B, and the catalyst layers 112 and 113 are formed. 2 Reinforcing layers 117A were laminated in this order, and 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を用いて燃料電池１を組み立て、組み立てられた燃料電池にメタノールと空気を供給し、電圧を０．４Ｖに固定して動作試験を行い、単電池の出力密度を測定した。この結果、１１０ｍＷ／ｃｍ２であった。また、高分子電解質膜１１１、触媒層１１２，１１３、ガス拡散層１１４，１１５、第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂの接合個所から１５ｍｍ×１１０ｍｍの試料を切り出し、ＪＩＳ Ｐ８１１５ 耐折強さ試験法に基づいて機械的強度を測定した。この結果、３６８３回であった。 The fuel cell 1 is assembled using the membrane electrode assembly 11 thus obtained, methanol and air are supplied to the assembled fuel cell, an operation test is performed with the voltage fixed at 0.4 V, and the output density of the unit cell Was measured. As a result, it was 110 mW / cm 2 . Further, a 15 mm × 110 mm sample was cut out from the junction of the polymer electrolyte membrane 111, the catalyst layers 112 and 113, the gas diffusion layers 114 and 115, the first reinforcing layers 116A and 116B, and the second reinforcing layers 117A and 117B, and JIS P8115. The mechanical strength was measured based on the bending strength test method. As a result, it was 3683 times.

《比較例１》
実施例１の比較例として、実施例１の第１補強層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第２補強層１１７Ａ，１１７Ｂ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、出力密度は８６ｍＷ／ｃｍ２、耐折回数は７６８回であった。 << Comparative Example 1 >>
As a comparative example of Example 1, a membrane electrode assembly 11 was produced under the same conditions as in Example 1 except that the first reinforcing layers 116A and 116B and the second reinforcing layers 117A and 117B of Example 1 were omitted. Evaluation was performed. As a result, the output density was 86 mW / cm 2 and the folding endurance was 768 times.

《考察１》
実施例１及び比較例１の結果から、補強層１１６Ａ，１１６Ｂ，１１７Ａ，１１７Ｂを省略した比較例１の出力密度は、実施例１の１１０ｍＷ／ｃｍ２に比べて８６ｍＷ／ｃｍ２と著しく低い。比較例１の膜電極接合体１１を目視で観察したところ触媒層１１２，１１３とガス拡散層１１４，１１５が最大で１ｍｍずれていたが、これが主たる原因であると推察される。これに対して実施例１の膜電極接合体１１については触媒層１１２，１１３とガス拡散層１１４，１１５のずれは観察されなかった。 <Discussion 1>
From the results of Example 1 and Comparative Example 1, the output density of Comparative Example 1 in which the reinforcing layers 116A, 116B, 117A, and 117B are omitted is 86 mW / cm 2 that is significantly lower than 110 mW / cm 2 of Example 1. When the membrane electrode assembly 11 of Comparative Example 1 was visually observed, the catalyst layers 112 and 113 and the gas diffusion layers 114 and 115 were shifted by 1 mm at the maximum, which is presumed to be the main cause. On the other hand, in the membrane / electrode assembly 11 of Example 1, no deviation between the catalyst layers 112 and 113 and the gas diffusion layers 114 and 115 was observed.

また、比較例１の耐折回数（長辺方向に引っ張られた状態の細長い試料を、破断するまで規定の方法で表裏に折り曲げた回数）が７６８回であるのに対し、実施例１の耐折回数は３６８３回と、実施例１の方が約５倍の耐折強さを有することが確認された。   Further, the number of folding times of Comparative Example 1 (the number of times that a long and narrow sample pulled in the long side direction was bent on the front and back until it broke) was 768 times, whereas that of Example 1 The number of folds was 3683, and it was confirmed that Example 1 has a folding resistance of about 5 times.

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
１１６Ａ，１１６Ｂ…第１補強層
１１７Ａ，１１７Ｂ…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 116A, 116B ... 1st reinforcement layer 117A, 117B ... 2nd reinforcement layer 12 ... Anode collector 13 ... Cathode collector 14 ... Anode separator 15 ... Cathode separator 16 ... Anode flow path 17 ... Cathode flow path 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 (1)

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、前記高分子電解質膜の外縁より小さい外縁を有する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、
前記高分子電解質膜の前記第１主面上の外縁部又は前記第２主面上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が前記アノード触媒層又は前記カソード触媒層に重ならないように設けられた額縁状の第１補強層と、
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前記一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第２補強層と、を備える膜電極接合体、
前記膜電極接合体を挟むように設けられた一対のセパレータ、及び
前記膜電極接合体と前記一対のセパレータとのそれぞれの間の前記アノードガス拡散層又は前記カソードガス拡散層の周囲に設けられたガスケットを含む燃料電池。 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 having outer edges smaller than the outer edges 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;
At least one of the outer edge on the first main surface or the outer edge on the second main surface of the polymer electrolyte membrane is provided so that the inner edge does not overlap the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer. A frame-shaped first reinforcing layer;
A membrane electrode assembly comprising: a frame-shaped second reinforcing layer provided on at least one of the outer edge portion on the anode gas diffusion layer and the outer edge portion on the cathode gas diffusion layer so that the inner edge portion overlaps ,
A pair of separators provided so as to sandwich the membrane electrode assembly, and provided around the anode gas diffusion layer or the cathode gas diffusion layer between each of the membrane electrode assembly and the pair of separators A fuel cell including a gasket.
JP2018082044A 2018-04-23 2018-04-23 Fuel cell Active JP6655120B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018082044A JP6655120B2 (en) 2018-04-23 2018-04-23 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018082044A JP6655120B2 (en) 2018-04-23 2018-04-23 Fuel cell

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013181837A Division JP6533028B2 (en) 2013-09-03 2013-09-03 Fuel cell membrane electrode assembly

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018133342A true JP2018133342A (en) 2018-08-23
JP6655120B2 JP6655120B2 (en) 2020-02-26

Family

ID=63248954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018082044A Active JP6655120B2 (en) 2018-04-23 2018-04-23 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6655120B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021091169A1 (en) * 2019-11-06 2021-05-14 코오롱인더스트리 주식회사 Method and apparatus for manufacturing membrane-electrode assembly
CN115172797A (en) * 2022-02-22 2022-10-11 中国科学院长春应用化学研究所 Fuel cell membrane electrode sealing structure and preparation method thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006310288A (en) * 2005-04-01 2006-11-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Mea, mea manufacturing method, and high polymer electrolyte fuel cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006310288A (en) * 2005-04-01 2006-11-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Mea, mea manufacturing method, and high polymer electrolyte fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021091169A1 (en) * 2019-11-06 2021-05-14 코오롱인더스트리 주식회사 Method and apparatus for manufacturing membrane-electrode assembly
CN115172797A (en) * 2022-02-22 2022-10-11 中国科学院长春应用化学研究所 Fuel cell membrane electrode sealing structure and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP6655120B2 (en) 2020-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20140017590A1 (en) Electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells, and method for producing same
JP2008515137A (en) Membrane electrode assembly
EP2827418B1 (en) Electrode assembly for solid polymer fuel cell
EP1671388A1 (en) Catalyst-coated membrane with integrated sealing material and membrane-electrode assembly produced therefrom
JP6655120B2 (en) Fuel cell
JP6204119B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
JP6038074B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
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
JP6120674B2 (en) Solid polymer fuel cell and manufacturing method thereof
JP6533028B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
JP5273207B2 (en) ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY WITH MASK FILM FOR SOLID POLYMER FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
JP2010003470A (en) Fuel cell
JP2009193700A (en) Fuel-cell electrode assembly and method of manufacturing the same, and fuel cell
JP2006107868A (en) Cell for fuel cell, its manufacturing method and fuel cell
JP6511104B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly
JP2015050134A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell
JP4977540B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP7307109B2 (en) Membrane electrode assembly with gas diffusion layer and manufacturing method thereof
JP2019145321A (en) Manufacturing method of fuel cell stack
JP2006059661A (en) Solid polymer fuel cell
US20230411660A1 (en) Membrane electrode assembly combined roll, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2016071985A (en) Membrane electrode assembly for fuel battery
JP2015076348A (en) Membrane electrode assembly for fuel battery
JP6063284B2 (en) Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure for fuel cell
JP2005190750A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180523

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190611

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190802

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200128

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200131

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6655120

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250