JP4028352B2

JP4028352B2 - 電解質膜・電極構造体

Info

Publication number: JP4028352B2
Application number: JP2002311214A
Authority: JP
Inventors: 昌昭七海; 直樹満田; 修平後藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP2004146250A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対のガス拡散電極層を設けた電解質膜・電極構造体に係り、特に、固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層からはみ出した形状の電解質膜・電極構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層させた構造のものがある。前記電解質膜・電極構造体としては、固体高分子電解質膜を、その両側からガス拡散電極層にて挟持した構造のものが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、固体高分子電解質膜と、その両側のガス拡散電極層とが同一サイズに形成され、それぞれの端面を一致させて積層してなる電解質膜・電極構造体が開示されている。
また、特許文献２には、固体高分子電解質膜の外周部分に、ガス拡散電極層の部分と重なる額縁状ガスケットを設けて、当該ガスケットにより固体高分子電解質膜の外周部分がシールされた電解質膜・電極構造体が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５１７６９６６号明細書
【０００５】
【特許文献２】
米国特許第５４６４７００号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来に示した電解質膜・電極構造体には、以下のような問題がある。
近年、燃料電池のサイズを小型化する要請が高まっており、その要請に応えるために、電解質膜・電極構造体の固体高分子電解質膜は、膜厚の薄いものが用いられる傾向にある。しかし、前記特許文献１に示された電解質膜・電極構造体においては、固体高分子電解質膜の両側に設けたガス拡散電極層同士の端面位置が固体高分子電解質膜の端面位置に一致しており、互いの端面が近い位置に設けられているため、ガス拡散電極層に供給されるそれぞれの反応ガスが固体高分子電解質膜の端面から回り込み、拡散しやすい。従って、反応ガス同士がそれぞれのガス拡散電極層の端面付近で混合するおそれがある。さらに、ガス拡散電極層の端面位置が近いために、電気的に短絡するおそれがある。
【０００７】
また、前記特許文献２に示された電解質膜・電極構造体においては、ガス拡散電極層と固体高分子電解質膜の外周部分に額縁状ガスケットを重ねて設けるため、この重なり部分の厚みが増大してしまう。また、このふくらんだ重なり部分を平坦にしようとすると、ガス拡散電極層が変形して平坦度が損なわれるため、これを防止するための処理が必要となり工程が複雑化してしまう。
そこで、本発明は、薄膜化した固体高分子電解質膜を保護して、発電効率を高めることができる電解質膜・電極構造体を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜２２）が、触媒層（例えば、実施の形態における触媒層２８，３０）とガス拡散層（例えば、実施の形態におけるガス拡散層３２，３４）とを備える一対のガス拡散電極層（例えば、実施の形態におけるガス拡散電極層２４，２６）により、前記固体高分子電解質膜の両側に前記触媒層が当接するように挟持され、前記固体高分子電解質膜が、一方のガス拡散電極層（例えば、実施の形態におけるカソード側ガス拡散電極層２６）で覆われるとともに、他方のガス拡散電極層（例えば、実施の形態におけるアノード側ガス拡散電極層２４）からはみ出してなる電解質膜・電極構造体（例えば、実施の形態における電解質膜・電極構造体１０）であって、一方のガス拡散層の触媒層の端面が、他方のガス拡散層の触媒層の端面に対して位置がずれて設置されており、少なくとも一方のガス拡散電極層の外周に、前記触媒層の端面の全周と間隔（例えば、実施の形態における隙間２７、２９）を開けて、接着層（例えば、実施の形態における接着層３６、３７）を形成してなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、固体高分子電解質膜に接触するそれぞれの触媒層端面からの応力が固体高分子電解質膜の一カ所に集中せず、固体高分子電解質膜の両面から分散させることができるため、固体高分子電解質膜に応力が集中するのを防ぐことができる。また、前記固体高分子電解質膜が一方のガス拡散電極層で覆われているため、固体高分子電解質膜を保護して固体高分子電解質膜の破損を防止することが出来る。さらに、それぞれのガス拡散電極層の端面が離れた位置にあるため、それぞれのガス拡散電極層に供給される反応ガス同士がガス拡散電極層の端面位置で混合するおそれが無くなるとともに、電気的に短絡するおそれが無くなる。
また、前記接着層により、固体高分子電解質膜とガス拡散層とが一体化し、固体高分子電解質膜の厚み方向の強度をガス拡散層で支持して補強することが出来、電解質膜・電極構造体の取扱い性が向上する。また、前記接着層が内側の触媒層を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合するおそれを一層低減することができる。加えて、前記接着層は前記触媒層の端面と少なくとも一部間隔を開けて形成しているため、接着層が触媒層に干渉することを防止でき、接着層が触媒層に接触することによって触媒機能を阻害することがないので、触媒層の発電機能を全面に亘って確保させることができる。また、接着層を触媒層の端面に密着させて設ける必要がないため、接着層の配置自由度を高めることができ、電解質膜・電極構造体の製造負担を低減することができる。
なお、前記一方の触媒層は、前記他方の触媒層に対して位置がずれて設置されるものであればよく、同一サイズのものであっても、異なるサイズのものであってもよい。また、他方のガス拡散電極層の触媒層の外周にも接着層を形成してもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における電解質膜・電極構造体及び燃料電池を図面と共に説明する。図１は本発明の実施の形態における電解質膜・電極構造体１０の断面図である。電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２２を挟んで配設されるアノード側ガス拡散電極層２４及びカソード側ガス拡散電極層２６とを有する。前記アノード側ガス拡散電極層２４及びカソード側ガス拡散電極層２６には、それぞれ触媒層２８，３０とガス拡散層３２，３４が形成されて、前記触媒層２８，３０が固体高分子電解質膜２２の両面にそれぞれ当接している。前記触媒層２８，３０は白金を主成分とする材料で形成され、前記ガス拡散層３２，３４は多孔質層である多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーで形成され、前記固体高分子電解質膜２２は炭化水素系樹脂（例えば、ポリアリレン系樹脂）を主成分とする材料で形成されている。なお、固体高分子電解質膜２２の材料としては、フッ素系樹脂（例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマー）を主成分とするものを用いることもできる。
また、触媒層２８，３０の形成方法は、特に限定されず、ガス拡散層３２，３４の表面に触媒ペーストを塗布あるいは触媒元素を蒸着して形成してもよく、他の部材（例えばフィルム）に形成した触媒層を固体高分子電解質膜に転写させて形成してもよい。
【００１１】
前記固体高分子電解質膜２２は、図２に示したように、前記アノード側ガス拡散電極層２４から一方の面のみがはみ出しているとともに、他方の面が前記カソード側ガス拡散電極層２６にて覆われている。このように固体高分子電解質膜２２の両側に配されるガス拡散電極層２４，２６の平面寸法を異ならせて、固体高分子電解質膜２２の一方の面のみがはみ出しているため、ガス拡散電極層２４，２６の端面同士が固体高分子電解質膜２２を介して離間した位置に設けられる。このため、ガス拡散電極層２４，２６にそれぞれ供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス、いずれも図示せず）が固体高分子電解質膜２２の端面付近で混合するおそれを低減することができるとともに、電気的に短絡することを防止できる。また、固体高分子電解質膜２２の一方の面はカソード側ガス拡散電極層２６により覆われているため、固体高分子電解質膜２２を保護して固体高分子電解質膜２２の破損を防止することができる。特に、炭化水素系樹脂の固体高分子電解質膜は、フッ素系樹脂の固体高分子電解質膜に比べて剛直であるため、一方の面をガス拡散電極層で覆うことにより保護することが好ましい。
【００１２】
本実施の形態においては、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８と、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０との平面的な大きさがそれぞれ異なっており、それぞれの触媒層２８，３０の端面位置をずらして設置されている。これにより、固体高分子電解質膜２２に接触するそれぞれの触媒層２８，３０端面からの応力が一カ所に集中せず、固体高分子電解質膜の両面から分散することができるため、固体高分子電解質膜２２に応力が集中するのを防ぐことができる。
【００１３】
また、カソード側ガス拡散電極層２６の触媒層３０は、アノード側ガス拡散電極層２４の触媒層２８に対して平面寸法を小さく形成してあるとともに、前記触媒層３０の外周側には接着層３６を形成してあり、当該接着層３６により固体高分子電解質膜２２の周縁部を覆わせている。このように接着層３６を設けたため、固体高分子電解質膜２２とカソード側ガス拡散電極層２６とが一体化し、固体高分子電解質膜２２をガス拡散層で支持して補強することが出来、電解質膜・電極構造体の取扱い性が向上する。また、前記接着層３６が内側の触媒層３０を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）同士が混合するおそれを一層低減することができるとともに、反応ガス同士の混合による短絡をより確実に防止することができる。さらに、固体高分子電解質膜２２には、前記触媒層２８の端面と接触する箇所の反対側に接着層３６を配置しているため、固体高分子電解質膜２２を前記触媒層２８の端面からの応力から保護することができる。
【００１４】
また、本実施の形態においては、アノード側拡散電極層２４の触媒層２８の外周にも接着層３７を形成しているため、上述した接着層３６の場合と同様の作用効果を奏することができる。
加えて、前記接着層３６、３７は前記触媒層３０，２８の端面とそれぞれ隙間２９，２７を設けて形成している。このため、接着層３６、３７が触媒層３０、２８に干渉することを防止でき、接着層が触媒層に接触することによって触媒機能を阻害することがないので、触媒層３０，２８の発電機能を全面に亘って確保させることができる。また、接着層３６，３７を触媒層３０、２８の端面に密着させて設ける必要がないため、接着層３６，３７の配置自由度を高めることができ、電解質膜・電極構造体１０の製造負担を低減することができる。なお、接着層３６、３７に用いられる接着材には、フッ素系またはシリコン系の材料を用いることが好ましい。
【００１５】
以上、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を大きくした場合について説明したが、これに限らず、アノード側ガス拡散電極層２４よりもカソード側ガス拡散電極層２６の平面寸法を小さくしてもよい。また、互いの触媒層２８，３０の端面同士の位置がずれていれば、互いの触媒層２８，３０を同一寸法に形成してもよい。また、隙間２７，２９は触媒層２８，３０の外周端面の少なくとも一部に設けてあればよい。
【００１６】
【実施例】
図３は、実施例の電解質膜・電極構造体１０と、比較例の電解質膜・電極構造体４０の耐久性の測定結果を示したグラフである。実施例の電解質膜・電極構造体１０（図１参照）は、固体高分子電解質膜２２としてポリアリレン系の電解質膜を用いた。触媒層２８，３０は、以下のようにして作成した。すなわち、イオン導電性バインダーと、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、一定の割合で混合して触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストを、固体高分子電解質膜２２の両面に、互いに所定位置で端面がずれるようにスクリーン印刷した後に、前記触媒ペーストを乾燥させて、固体高分子電解質膜両面２２に触媒層２８，３０を設けた。
【００１７】
次に、前記触媒層付き電解質膜２２を両側から挟む一対の拡散層３２，３４を以下のように製造した。拡散層は、その一方（拡散層３４）を前記電解質膜２２と同等の平面寸法とし、他方（拡散層３２）を前記電解質膜２２よりも小さい平面寸法とした。そして、前記拡散層３２，３４の周縁部にフッ素系材料を含む接着剤を塗布して接着層３６，３７を形成し、前記触媒層付き電解質膜２２に両側から接着して、電解質膜・電極構造体１０とした。このとき、大きい方の拡散層３６に接着された触媒層３０と、該触媒層３０と電解質膜２２を挟んで対極にある触媒層２８とが、外周端面の平面位置が重ならないように位置をずらした。また、それぞれの接着層３６，３７は、触媒層３０，２８の端面と隙間２９，２７が開くようにして製造した。
【００１８】
また、比較例は、電解質膜４２としてＮａｆｉｏｎ１１２（デュポン社商品名）を用いた。そして、比較例の拡散層５２，５４および触媒層４８，５０の材質、製造方法は実施例と同様にしたが、電解質膜４２を挟持する一対の拡散電極層４４，４６は、共に略同一寸法に形成され、前記電解質膜４２よりも平面寸法が小さい。前記電解質膜４２はこれらの拡散電極層４４，４６により挟持され、拡散電極層４４，４６の外周から電解質膜４２がはみ出すようにした（図４参照）。
【００１９】
上述した実施例の電解質膜・電極構造体１０と、比較例の電解質膜・電極構造体４０とを、それぞれセパレータで挟持して燃料電池セルを形成した。そして、それぞれの燃料電池セルにおいて、一方の拡散電極層に燃料ガスを、他方の拡散電極層に酸化剤ガスを供給する。このとき、両者（燃料ガス、酸化剤ガス）の圧力差が４０ｋＰａになるように、それぞれのガスの圧力を交互に反転させてその反転回数を測定し、電解質膜・電極構造体の性能が維持されている間、前記測定を継続した。その結果、図３に示したように、実施例における電解質膜・電極構造体１０は、比較例における電解質膜・電極構造体４０と比べて、ガス圧力の変動に対して約２倍の反転回数までその性能を維持することができた。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、固体高分子電解質膜に応力が集中するのを防ぐことができ、固体高分子電解質膜を保護して固体高分子電解質膜の破損を防止することが出来るため、固体高分子電解質膜の薄膜化を図ることができる。また、前記接着層が内側の触媒層を覆うためシール機能を果たし、これにより反応ガスの混合を防止することができる。加えて、接着層が触媒層に干渉することを防止でき、接着層が触媒層に接触することによって触媒機能を阻害することがないので、触媒層の全面を発電に寄与させることができる。また、接着層の配置自由度を高めることができ、電解質膜・電極構造体の製造負担を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の形態における電解質膜・電極構造体の断面図である。
【図２】図１の電解質膜・電極構造体の平面図である。
【図３】本発明の実施例の電解質膜・電極構造体と、比較例の電解質膜・電極構造体の耐久性の測定結果を示したグラフである。
【図４】比較例の電解質膜・電極構造体の断面図である。
【符号の説明】
１０電解質膜・電極構造体
２４アノード側ガス拡散電極層
２６カソード側ガス拡散電極層
２８、３０触媒層
３２、３４ガス拡散層
３６、３７接着層

Claims

固体高分子電解質膜が、触媒層とガス拡散層とを備える一対のガス拡散電極層により、前記固体高分子電解質膜の両側に前記触媒層が当接するように挟持され、
前記固体高分子電解質膜が、一方のガス拡散電極層で覆われるとともに、他方のガス拡散電極層からはみ出してなる電解質膜・電極構造体であって、
一方のガス拡散層の触媒層の端面が、他方のガス拡散層の触媒層の端面に対して位置がずれて設置されており、
少なくとも一方のガス拡散電極層の外周に、前記触媒層の端面の全周と間隔を開けて、接着層を形成してなることを特徴とする電解質膜・電極構造体。