JP4032282B2

JP4032282B2 - Solid polymer electrolyte membrane fuel cell

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Publication number: JP4032282B2
Application number: JP2001372768A
Authority: JP
Inventors: 靖山沢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP2003173798A

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型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いた燃料電池である。この固体高分子電解質膜はイオン交換膜を含み、必要に応じてイオン交換膜の強度を補強する補強膜を含むことができる。そしてこの固体高分子電解質膜の両面にはアノード触媒層（水素電極）とカソード触媒層（酸素電極）が配置されている。通常この固体高分子電解質膜とアノード触媒層とカソード触媒層とを熱圧着して一体化して膜電極接合体を構成している。
【０００３】
発電中の固体高分子電解質膜型燃料電池の膜電極接合体の内部において以下の現象が生じている。アノード触媒層に供給された水素（Ｈ₂）は電子（ｅ）を放出して、プロトン（Ｈ⁺）となって固体高分子電解質膜に導入される。そして固体高分子電解質膜内部に浸透したプロトンは水分子と共に固体高分子電解質膜の内部をカソード触媒層の方向に移動する。
【０００４】
アノード触媒層において水素から放出された電子は外部回路に流出する。この外部回路に流出した電子は外部回路を通って、カソード触媒層に達する。そしてアノード触媒層から移動してきたプロトンは、ここで外部回路を通過した電子を受け取り、カソード触媒層に供給された酸素（Ｏ₂）と反応して、水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。
【０００５】
なおここで図１にセルの構造を示す。理解を容易にするために膜電極接合体１０とその両側に配置されたアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ２０は分離して描いてある。
【０００６】
通常図１に示すように、アノード触媒層１３の側に配置されたアノードセパレータ３０のアノード触媒層１３側の面には、アノード触媒層１３に供給される水素が流れる水素流路３１として用いられる凹状の溝が設けられている。またカソード触媒層１２の側に配置されたカソードセパレータ２０のカソード触媒層１２側の面には、カソード触媒層１２に供給される酸素が流れる酸素流路２１として用いられる凹状の溝が設けられている。このように水素流路３１及び酸素流路２１から、アノード触媒層１３及びカソード触媒層１２にそれぞれ水素及び酸素がガスの状態で供給される。
【０００７】
またカソード触媒層１２とカソードセパレータ２０との間には酸素ガスを拡散する拡散層（図示しない）が、そしてアノード触媒層１３とアノードセパレータ３０との間には酸素ガスを拡散する拡散層（図示しない）を配設することができる。
【０００８】
なおここで示した例では、アノードセパレータ３０の水素流路３１が設けられた面とは反対の面に冷却水が通る凹状の溝からなる冷却水路３２が設けられている。同様にカソードセパレータ２０の酸素流路２１が設けられた面とは反対の面に冷却水が通る凹状の溝からなる冷却水路２２が設けられている。
【０００９】
このようにアノード触媒層１３にはアノードセパレータ３０に備えられた水素流路３１から水素ガスが供給される。この場合上述したように通常水素ガスはアノード触媒層１３で反応して電子を放出してプロトンとなって固体高分子電解質膜を通過するか或いは反応せずに系外に排出されるが、プロトンとならずに水素ガスのままアノード触媒層１３及び固体高分子電解質膜１１を通過するとカソード触媒層１２に至るということが生じうる。また同様に酸素ガスについても通常はカソード触媒層１２においてプロトンと反応して水分子を生成するか或いは系外に排出されるが、やはり酸素ガスのままカソード触媒層１２及び固体高分子電解質膜１１を通過してアノード触媒層１３に至るということが生じる。このように酸素ガス或いは水素ガスが反応することなく、反対の触媒層（電極）にまで至る現象をガスのクロスオーバー現象という。
【００１０】
このようなクロスオーバー現象は、燃料電池の性能を低下する原因となる現象である。そこで従来からこのクロスオーバー現象を阻止する手法が提案されてきた。
【００１１】
例えば、特開平８−２９８１２８号公報には、アノード側イオン交換膜とカソード側イオン交換膜とその間に形成されたイオン交換膜（以下「中間層イオン交換膜」という）というようにイオン交換膜を３層構造として、中間層イオン交換膜に水素ガスと酸素ガスから水を生成する反応を促進する触媒を含有させるという手法が提案されている。この中間層イオン交換膜に、水素ガスと酸素ガスから水を生成する反応を促進させる触媒を含有させることによって、水素ガス及び酸素ガスがそのまま反対側の電極に至るのではなく、この中間層イオン交換膜において水とすることができ、クロスオーバー現象を阻止することができるとされている。
【００１２】
また特開平７−９０１１１号公報には、「パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリサルフォン、パーフルオロカルボン酸、スチレン−シビニルベンゼンスルフォン酸のカチオン交換樹脂及びスチレン−ブタジエン系アニオン交換樹脂の群から選ばれた高分子固体電解質に、白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウム及びルテニウムの中から選ばれた金属触媒の少なくとも一つ以上を前記高分子固体電解質の重量に対して０．０１〜８０重量％含有して成る」高分子固体電解質組成物が提案されている。この特開平７−９０１１１号公報で提案された手法も、また固体高分子電解質膜において水を生成することでクロスオーバーを阻止しようとする手法である。
【００１３】
このようにクロスオーバー現象を阻止する手法として、固体高分子電解質膜の内部においてアノード触媒層やカソード触媒層をそのまま通過してきた酸素ガスと水素ガスとから水分子を生成する手法が提案されてきた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の手法は、固体高分子電解質膜を透過しようとする酸素ガス及び水素ガスから触媒を利用して水分子の生成を促進する手法である。従ってイオン交換膜に含まれる触媒によって水分子として生成されなかった酸素ガス及び水素ガスは酸素ガス及び水素ガスはそのまま反対側にまで移動してしまう。しかし固体高分子電解質膜内部を移動している酸素ガスや水素ガスの全てを触媒の作用によって水に生成するということは困難である。そこで触媒を用いる手法以外の手法の開発が求められていた。
【００１５】
そこで本発明の目的とするところは、クロスオーバー阻止効果に優れた固体高分子電解質膜型燃料電池を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
本発明者は、固体高分子電解質膜型燃料電池に用いられるセルの構造を検討した結果、固体高分子電解質膜が概ね３０〜２００μｍ程度の膜厚しか有していないということ、また固体高分子電解質膜の両側に配置されたカソード触媒層やアノード触媒層に供給される酸素ガスや水素ガスには圧力が加えられているということにクロスオーバー現象が生ずる原因があると考えた。
【００１７】
特に酸素ガスや水素ガスがそれぞれ流れる酸素流路や水素流路の水素導入口辺りでは酸素ガスや水素ガスのガス圧力が高くなっており、酸素流路や水素流路の排出口辺りでは逆に酸素ガスや水素ガスのガス圧力が低くなっている。従って水素ガスが水路流路に導入される部位ではアノード触媒層及び固体高分子電解質膜にかかる水素ガスの圧力が高くなっており、アノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのまま固体高分子電解質膜に浸透するということが生じやすくなっている。
【００１８】
この場合において、水素流路に水素ガスが導入される導入口に対応している固体高分子電解質膜の部位が同時に酸素流路から酸素ガスが排出される排出口に対応しているということが生ずる。図１に示すように、酸素流路と水素流路とは異なる平面上に位置するので平行になるように設定する必要がなく、ねじれた位置関係になるように設定することができる。通常はこのようなねじれの位置関係に酸素流路と水素流路は設定されている。また平行な位置関係に設定したとしても、酸素流路及び水素流路中を流れる酸素ガス及び水素ガスとが流れる向きが反対であればこのようなことが生ずる。
【００１９】
この部位においてはアノード触媒層の側では水素ガスの圧力が強く、カソード触媒層の側では酸素ガスが圧力が弱くなっている。従ってこの部位ではそれだけアノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのまま固体高分子電解質膜を透過するということがより生じやすくなっていると考えられる。
【００２０】
例えば発明者が観察した固体高分子電解質膜型燃料電池においては、水素流路の水素導入口では水素のガス圧が０．１５ＭＰａ、その排出口では水素のガス圧が０．１ＭＰａであり、酸素流路の導入口では酸素のガス圧が０．２ＭＰａであり、その排出口では酸素のガス圧が０．１ＭＰａであった。この例では、固体高分子電解質膜における水素流路の水素導入口に対応する部位であり同時に酸素流路の排出口に対応する部位では水素のガス圧と酸素のガス圧とでは０．０５ＭＰａの圧力差が生じていることになる。従ってアノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのまま固体高分子電解質膜を透過しやすくなっていると考えられる。
【００２１】
そこで本発明者は、鋭意研究の結果、上記課題を解決する固体高分子電解質膜型燃料電池を発明した。
【００２２】
上記課題を解決する第１の発明は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚が、水素導入口に対応していない部位の膜厚よりも漸次厚くされているとともに、固体高分子電解質膜の膜厚は、水素流路に沿って水素導入口に対応している部位に向かって漸次厚くされていることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池である。
【００２３】
水素流路は通常凹状の溝で形成されている。そしてこの水素流路においては水素が導入される水素導入口で水素のガス圧が最も高くなっている。従ってこの水素導入口に対応しているアノード触媒層及び固体高分子電解質膜の部位はこの高いガス圧の水素によって圧せられている。従ってこの水素ガスのガス圧の高さによって、アノード触媒層で反応しなかった水素ガスがそのままイオン交換膜を含む固体高分子電解質膜を透過するということが生じ易くなっている。そこで第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜においてこの水素導入口に対応している部位の膜厚を厚くすることで、水素ガスがそのまま反対側即ちカソード触媒層側に移動することを阻止している。
【００２４】
このように第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池はクロスオーバー現象を阻止する効果を有する。また水素のガス圧が高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の膜厚を厚くし、他の部位の膜厚はそれよりも薄くしているので、固体高分子電解質膜の抵抗値が増大することを防ぐことができる。
【００２５】
またこの場合において、固体高分子電解質膜は水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の膜厚が他の部位の膜厚よりも漸次厚くされていることが好ましい。
【００２６】
即ち上述したように、この部位ではアノード触媒層及び固体高分子電解質膜に加えられる水素ガスの圧力は高く、反対にカソード触媒層及び固体高分子電解質膜に加えられる酸素ガスの圧力は低い。そのためにアノード触媒層で反応しなかった水素ガスが固体高分子電解質膜をそのまま透過するということがより生じ易くなっている。そこでこの部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚くすることで、水素ガスがそのまま反対側に移動することを阻止している。
【００２８】
固体高分子電解質膜には、アノード触媒層からカソード触媒層へプロトンを移動させるためにイオン交換膜が用いられるが、上述したように、このイオン交換膜を補強するためにイオン交換膜の膜面に接して補強膜が設けられている。
【００２９】
上記課題を解決する第２の発明は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の密度が、水素導入口に対応していない部位の密度よりも漸次大きくされていることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池である。
【００３０】
第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池が、水素流路の水素導入口に対応する部位の固体高分子電解質膜の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くすることで、水素ガスがそのままカソード触媒層側に移動することを阻止しているのに対して、第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、水素流路の水素導入口に対応する部位の固体高分子電解質膜の密度を他の部位の密度よりも大きくすることで、水素ガスがそのままカソード触媒層側に移動することを阻止している。
【００３１】
このように第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池はクロスオーバー現象を阻止する効果を有する。また水素のガス圧が高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の密度を大きくし、他の部位の密度はそれよりも小さくしているので、固体高分子電解質膜の抵抗値が増大することを防ぐことができる。
【００３２】
またこの場合において、固体高分子電解質膜は水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の密度が他の部位の密度よりも漸次大きくされていることが好ましい。
【００３４】
固体高分子電解質膜には、アノード触媒層からカソード触媒層へプロトンを移動させるためにイオン交換膜が用いられるが、上述したように、このイオン交換膜を補強するためにイオン交換膜の膜面に接して補強膜が設けられている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下の本発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の実施の形態について説明する。
【００３６】
（第１の発明の実施の形態）
▲１▼構成等
第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚が他の部位の膜厚よりも漸次厚くされていることを特徴とする。
【００３７】
従って第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の構成については、固体高分子電解質膜は水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚が他の部位の膜厚よりも漸次厚くされているということを実現する構成にすれば、他の要素、部材等については基本的には通常の固体高分子電解質膜型燃料電池の構成で実施することが可能である。従って特許請求の範囲に記載した発明の範囲内でここで示す実施の形態を変形した形態も可能である。
【００３８】
即ち図１に示すように、第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池においては、膜電極接合体１０の両側に対向してアノードセパレータ３０とカソードセパレータ２０とを配設することができる。そして膜電極接合体１０は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜１１と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層１３とカソード触媒層１２とを含んでいる。
【００３９】
アノードセパレータ３０には水素流路３１が設けられており、水素ガスが流れるように構成されている。そしてこの水素流路３１を流れる水素がアノード触媒層１３に拡散して到達するように、このアノードセパレータ３０とアノード触媒層１３との間に拡散層（図示しない）を設けることができる。このアノードセパレータ３０の水素流路３１が設けられている面の反対側の面には冷却水が流れる冷却水路３２を設けることができる。
【００４０】
またカソードセパレータ２０には酸素流路２１が設けられ、酸素ガスが流れるように構成されている。そしてこの酸素流路２１を流れる酸素がカソード触媒層１２に拡散して到達するように、やはり通常はこのカソードセパレータ２０とカソード触媒層１２との間に拡散層（図示しない）を設けることができる。このカソードセパレータ２０の酸素流路２１が設けられている面の反対側の面には冷却水が流れる冷却水路２２を設けることができる。
【００４１】
そしてこのようなカソードセパレータ２０とアノードセパレータ３０と膜電極接合体１０を含んで構成されたセルを複数個積層して、各セルを電気的に接続することで固体高分子電解質膜型燃料電池のスタックを構成することができる。
【００４２】
膜電極接合体１０は、固体高分子電解質膜１１とこの固体高分子電解質膜１１の両側に配置されるカソード触媒層１２とアノード触媒層１３とで構成されることができる。アノード触媒層１３とカソード触媒層１２は公知の材料を用いて構成することができる。例えばアノード触媒層１３は、カーボン粉末に白金触媒を担持し、フッ素系樹脂例えばパーフルオロエチレンスルホン酸を混合した材料を用いて構成することができる。またカソード触媒層１２も、同様な材料を用いて構成することができる。このアノード触媒層１３は概ね４〜２０μｍとすることができる。またカソード触媒層１２は概ね２〜１０μｍとすることができる。
【００４３】
そしてこのアノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に挟まれている固体高分子電解質膜１１はイオン交換膜を含み、必要に応じてこのイオン交換膜を補強する補強膜を有することができる。イオン交換膜は、パーフルオロエチレンスルホン酸を用いて構成することができ、補強膜は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いて構成することができる。この場合イオン交換膜は、１つとすることもできるし、また２つ以上とすることができる。また補強膜は必要に応じて用いられるが、イオン交換膜の個数を考慮して用いることができる。例えばイオン交換膜を３つ積層した場合には、補強膜を２つ用いて、２つのイオン交換膜の間に１つずつ積層することができる。
【００４４】
固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くなるように構成する。この場合において、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚く構成することが好ましい。
【００４５】
この場合固体高分子電解質膜の膜厚は最も厚い部位で概ね５０μｍとし、最も薄い部位で概ね３０μｍとすることができる。
【００４６】
この場合において、固体高分子電解質膜がイオン交換膜及び補強膜からなる場合について、水素導入口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くしたり、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚くしたりできる。
【００４７】
なおイオン交換膜の膜厚は、最も厚い部位で概ね２０μｍとし、最も薄い部位で概ね５μｍとすることができる。また補強膜の膜厚については最も厚い部位で概ね７．５μｍとし、最も薄い部位で概ね５μｍとすることができる。
【００４８】
なおイオン交換膜及び補強膜からなり膜厚を漸次厚くした固体高分子電解質膜は、以下のように製造することができる。原料樹脂を熱溶融させ、延伸法にて膜状に成形する。その際に延伸力を制御することで、所望の厚さを得ることができる。
【００４９】
このように固体高分子電解質膜の膜厚を漸次厚くした場合には、カソードセパレータのカソード触媒層に面している側の形状やアノードセパレータのアノード触媒層に面している側の形状を調整したり、カソードセパレータとカソード触媒層との間の拡散層の厚さやアノードセパレータとアノード触媒層との間の拡散層の厚さを調整することでセルを構成することができる。
【００５０】
なおカソードセパレータ及びアノードセパレータは、上述した形状を調整する点を除けば、通常用いる材料で通常の形状に構成することができる。例えば気密性のあるカーボン板や、ＪＩＳＧ４３１１ＳＵＳ３０４（耐熱鋼棒）等を用いた耐食性のある金属板を用いて、カソード触媒層やアノード触媒層が存在する側の面に凹状の溝を設けて酸素が流れる酸素流路や水素が流れる水素流路を構成し、その反対面にも凹状の溝を設けて冷却水の冷却水路を構成することができる。
【００５１】
また拡散層としては、カーボンクロス、カーボンフェルト等の公知の材料を用いて構成することができ、概ね１００〜３００μｍの厚さとすることができる。
【００５２】
このように水素導入口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも漸次厚くしたり、更に水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の膜厚を他の部位の膜厚よりも更に漸次厚くしたりすることで、水素ガスがアノード触媒層からカソード触媒層へそのまま移動するというクロスオーバー現象を阻止することができる。
【００５３】
またこのように水素ガスの圧力の高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の膜厚を厚くし、他の部位の膜厚は漸次薄くすることで、固体高分子電解質膜の抵抗値の増大を防止することができる。
【００５４】
▲２▼実施例１
ここで固体高分子電解質膜内部のイオン交換膜及び補強膜を漸次厚くした実施例１を図２に示す。図２は水素ガスが流れる水素流路の水素導入口近傍におけるセルの断面図である。なおここでは固体高分子電解質膜、カソード触媒層及びアノード触媒層とからなるセルを示し、セル以外の部材、要素等については省略する。
【００５５】
実施例１では、固体高分子電解質膜６０の両側にアノード触媒層７０とカソード触媒層５０が配置されている。固体高分子電解質膜６０は、第１イオン交換膜６１、第１補強膜６２、第２イオン交換膜６３、第２補強膜６４及び第３イオン交換膜６５とから構成されている。
【００５６】
アノード触媒層７０はカーボン、白金、フッ素系樹脂を用いて形成されており、厚さは概ね１０μｍである。カソード触媒層５０も同様な材料を用いて形成されており、厚さは概ね５μｍである。
【００５７】
これに対して、固体高分子電解質膜６０は、図２中において、右から左に向けて膜厚が厚くなっている。実施例１の固体高分子電解質膜６０の膜厚は、図２の右端から左端に向かって概ね３０μｍから５０μｍと厚くなっている。その内訳は第１イオン交換膜６１の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍ、第１補強膜６２の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍ、第２イオン交換膜６３の膜厚が概ね１０μｍから２０μｍ、第２補強膜６４の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍ及び第３イオン交換膜６５の膜厚が概ね５μｍから７．５μｍと厚くなっている。
【００５８】
なおこの実施例１ではイオン交換膜６１、６３、６５の材料としてパーフルオロエチレンスルホン酸を用い、補強膜の材料としてＰＴＦＥを用いることができる。
【００５９】
このようにイオン交換膜６１、６３、６５及び補強膜６２、６４の厚さを水素流路の水素導入口に対応する部位において最も厚くなるようにして固体高分子電解質膜の膜厚を漸次厚くすることができる。
【００６７】
（第２の発明の実施の形態）
▲１▼構成等
第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池は、イオン交換膜を含む固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の両側に対向して配設されたアノード触媒層とカソード触媒層とを含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に対向して配設され水素が流れる水素流路を備えるアノードセパレータと酸素が流れる酸素流路を備えるカソードセパレータとを有する固体高分子電解質膜型燃料電池において、固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の密度が他の部位の密度よりも漸次厚くされていることを特徴とする。
【００６８】
この第２の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の構成については、固体高分子電解質膜の密度が、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の方が他の部位よりも漸次大きくなるように構成されていることを除けば、第１の発明の実施の形態の構成と基本的には同一である。従ってここでは第１の発明の実施の形態と異なっている部分を中心に説明する。
【００６９】
固体高分子電解質膜は、アノード触媒層とカソード触媒層との間に挟まれており、この固体高分子電解質膜はイオン交換膜を含み、必要に応じてこのイオン交換膜を補強する補強膜を有することができる。
【００７０】
イオン交換膜はパーフルオロエチレンスルホン酸を用いて構成することができ、補強膜はＰＴＦＥを用いて構成することができる。この場合イオン交換膜は、１つとすることもできるし、また２つ以上とすることができる。また補強膜は必要に応じて用いられるが、イオン交換膜の個数を考慮して用いることができる。例えばイオン交換膜を３つ積層した場合には、補強膜を２つ用いて、２つのイオン交換膜の間に１つずつ積層することができる。
【００７１】
このイオン交換膜は概ね５〜２０μｍとすることができ、補強膜は概ね５〜１５μｍとすることができる。第１の発明の固体高分子電解質膜型燃料電池の場合と異なり、イオン交換膜、補強膜は均一の膜厚で構成することが可能である。
【００７２】
固体高分子電解質膜は、水素流路の水素を導入する水素導入口に対応している部位の密度が他の部位の密度よりも漸次大きくなるように構成する。この場合において、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素流路の酸素を排出する酸素排出口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも更に漸次大きくなるように構成することが好ましい。
【００７３】
この場合において、固体高分子電解質膜がイオン交換膜及び補強膜からなる場合について、水素導入口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも漸次大きくしたり、水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも更に漸次大きくしたりできる。
【００７４】
なおイオン交換膜の密度は、最も密度が大きい部位で概ね３ｇ／ｃｍ³とし、最も密度が小さい部位で概ね１．５ｇ／ｃｍ³とすることができる。また補強膜の密度については最も密度が大きい部位で概ね３ｇ／ｃｍ³とし、最も薄い部位で概ね１．５ｇ／ｃｍ³とすることができる。
【００７５】
このようにイオン交換膜及び補強膜からなる固体高分子電解質膜の密度を漸次大きくする場合において、イオン交換膜及び補強膜からなる固体高分子電解質膜の膜厚を厚くする必要はなく、均一とすることができる。但しこのようにイオン交換膜及び補強膜からなる固体高分子電解質膜の密度を大きくする場合に、同時にこれらの膜厚が厚くなってもかまわない。
【００７６】
なおイオン交換膜及び補強膜からなり密度を漸次大きくした固体高分子電解質膜は以下のような方法で製造することができる。即ち膜厚を漸次大きくした状態の固体高分子電解質膜をセパレータに組み込み、そのセルをスタックすることで、膜厚の厚かった部位の密度を大きくすることができる。
【００７７】
なお本実施の形態においては、固体高分子電解質膜の膜厚は基本的に均一であるので、カソードセパレータのカソード触媒層に面している側の形状やアノードセパレータのアノード触媒層に面している側の形状を調整したり、カソードセパレータとカソード触媒層との間の拡散層の厚さやアノードセパレータとアノード触媒層との間の拡散層の厚さを調整するというようなことは必要ない。
【００７８】
このように固体高分子電解質膜において、水素導入口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも漸次大きくしたり、更に水素導入口に対応している部位であって同時に酸素排出口に対応している部位の密度を他の部位の密度よりも更に漸次厚くしたりすることで、水素ガスがアノード触媒層からカソード触媒層へそのまま移動するというクロスオーバー現象を阻止することができる。
【００７９】
またこのように水素ガスの圧力の高い水素導入口に対応する固体高分子電解質膜の部位の密度を大きくし、他の部位の密度は漸次小さくすることで、固体高分子電解質膜の抵抗値の増大を防止することができる。
【００８０】
〈2〉実施例２
ここで固体高分子電解質膜内部のイオン交換膜及び補強膜を密度を漸次大きくした実施例２を図３に示す。図３は水素ガスが流れる水素流路の水素導入口近傍におけるセルの断面図である。なおここでは固体高分子電解質膜、カソード触媒層及びアノード触媒層とからなるセルを示し、セル以外の部材、要素等については省略する。なお図中の符号については実施例１と同種の要素について図２と同一の符号を用いた。
【００８１】
実施例２では、固体高分子電解質膜６０の両側にアノード触媒層７０とカソード触媒層５０が配置されている。固体高分子電解質膜６０は、第１イオン交換膜６１、第１補強膜６２、第２イオン交換膜６３、第２補強膜６４及び第３イオン交換膜６５とから構成されている。
【００８２】
アノード触媒層７０はカーボン、白金、フッ素系樹脂を用いて形成されており、厚さは概ね１０μｍである。カソード触媒層５０も同様な材料を用いて形成されており、厚さは概ね５μｍである。第１イオン交換膜６１の膜厚は概ね５μｍ、第１補強膜６２の膜厚は概ね５μｍ、第２イオン交換膜６３の膜厚は概ね１０μｍ、第２補強膜６４の膜厚は概ね５μｍ及び第３イオン交換膜６５の膜厚は概ね５μｍである。
【００８３】
この場合に図３の右端から左端に向かって、第１イオン交換膜６１の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第１補強膜６２の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第２イオン交換膜６３の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第２補強膜６４の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と、第３イオン交換膜６５の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３から３ｇ／ｃｍ^３と漸次大きくなっている
なおこの実施例２ではイオン交換膜６１、６３、６５の材料としてパープルオロエチレンスルホン酸を用い、補強膜の材料としてＰＴＦＥを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子電解質膜型燃料電池のセルの構成を示した図である。
【図２】実施例１のアノード触媒層、固体高分子電解質膜及びカソード触媒層を示した図である。
【図３】実施例２のアノード触媒層、固体高分子電解質膜及びカソード触媒層を示した図である。
【符号の説明】
１０：膜電極接合体
１１：固体高分子電解質膜
１２：カソード触媒層１３：アノード触媒層
２０：カソードセパレータ
２１：酸素流路２２：冷却水路
３０：アノードセパレータ
３１：水素流路３２：冷却水路
５０：カソード触媒層
６０：固体高分子電解質膜
６１：第１イオン交換膜６２：第１補強膜
６３：第２イオン交換膜６４：第２補強膜
６５：第３イオン交換膜
７０：アノード触媒層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane fuel cell.
[0002]
[Prior art]
The solid polymer electrolyte membrane fuel cell is a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte. The solid polymer electrolyte membrane includes an ion exchange membrane, and can include a reinforcing membrane that reinforces the strength of the ion exchange membrane as necessary. An anode catalyst layer (hydrogen electrode) and a cathode catalyst layer (oxygen electrode) are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. Usually, the solid polymer electrolyte membrane, the anode catalyst layer, and the cathode catalyst layer are integrated by thermocompression bonding to form a membrane electrode assembly.
[0003]
The following phenomenon occurs in the membrane electrode assembly of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell during power generation. Hydrogen supplied to the anode catalyst layer (H₂) Emits electrons (e) and protons (H⁺) And introduced into the solid polymer electrolyte membrane. The protons that have penetrated into the solid polymer electrolyte membrane move along with the water molecules in the solid polymer electrolyte membrane toward the cathode catalyst layer.
[0004]
Electrons released from hydrogen in the anode catalyst layer flow out to the external circuit. The electrons flowing out to the external circuit pass through the external circuit and reach the cathode catalyst layer. The protons that have moved from the anode catalyst layer receive the electrons that have passed through the external circuit here, and oxygen (O) supplied to the cathode catalyst layer.₂) And water (H₂O).
[0005]
Here, FIG. 1 shows a cell structure. In order to facilitate understanding, the membrane electrode assembly 10 and the anode separator 30 and the cathode separator 20 disposed on both sides thereof are drawn separately.
[0006]
Normally, as shown in FIG. 1, the anode separator 30 disposed on the anode catalyst layer 13 side is used as a hydrogen flow path 31 through which hydrogen supplied to the anode catalyst layer 13 flows on the surface on the anode catalyst layer 13 side. A concave groove is provided. In addition, a concave groove used as an oxygen flow path 21 through which oxygen supplied to the cathode catalyst layer 12 flows is provided on the surface of the cathode separator 20 disposed on the cathode catalyst layer 12 side on the cathode catalyst layer 12 side. Yes. In this manner, hydrogen and oxygen are supplied from the hydrogen channel 31 and the oxygen channel 21 to the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12 in a gas state, respectively.
[0007]
A diffusion layer (not shown) for diffusing oxygen gas is provided between the cathode catalyst layer 12 and the cathode separator 20, and a diffusion layer (not shown) for diffusing oxygen gas between the anode catalyst layer 13 and the anode separator 30. Not) can be provided.
[0008]
In the example shown here, a cooling water channel 32 including a concave groove through which cooling water passes is provided on the surface opposite to the surface on which the hydrogen flow channel 31 of the anode separator 30 is provided. Similarly, a cooling water channel 22 formed of a concave groove through which cooling water passes is provided on the surface opposite to the surface on which the oxygen channel 21 of the cathode separator 20 is provided.
[0009]
Thus, hydrogen gas is supplied to the anode catalyst layer 13 from the hydrogen flow path 31 provided in the anode separator 30. In this case, as described above, the normal hydrogen gas reacts with the anode catalyst layer 13 to release electrons and becomes protons that pass through the solid polymer electrolyte membrane or are discharged out of the system without reacting. If the hydrogen gas is passed through the anode catalyst layer 13 and the solid polymer electrolyte membrane 11, the cathode catalyst layer 12 may be reached. Similarly, oxygen gas normally reacts with protons in the cathode catalyst layer 12 to generate water molecules or is discharged out of the system, but the cathode catalyst layer 12 and the solid polymer electrolyte membrane 11 are still in the form of oxygen gas. It passes through and reaches the anode catalyst layer 13. Such a phenomenon that oxygen gas or hydrogen gas does not react and reaches the opposite catalyst layer (electrode) is called a gas crossover phenomenon.
[0010]
  Such a crossover phenomenon is a phenomenon that causes a decrease in the performance of the fuel cell. This is whyBTechniques have been proposed to prevent the sover phenomenon.
[0011]
For example, JP-A-8-298128 discloses an ion exchange membrane such as an anode side ion exchange membrane, a cathode side ion exchange membrane, and an ion exchange membrane formed therebetween (hereinafter referred to as “intermediate layer ion exchange membrane”). As a three-layer structure, a method has been proposed in which a catalyst that promotes a reaction of generating water from hydrogen gas and oxygen gas is contained in the intermediate layer ion exchange membrane. By including a catalyst that promotes the reaction of generating water from hydrogen gas and oxygen gas in the intermediate layer ion exchange membrane, the hydrogen gas and oxygen gas do not reach the opposite electrode as they are, but this intermediate layer ion It is said that water can be used in the exchange membrane and the crossover phenomenon can be prevented.
[0012]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-90111 discloses that “highly selected from the group of perfluorocarbon sulfonic acid, polysulfone, perfluorocarboxylic acid, styrene-cyvinylbenzenesulfonic acid cation exchange resin and styrene-butadiene anion exchange resin. The molecular solid electrolyte contains at least one metal catalyst selected from platinum, gold, palladium, rhodium, iridium and ruthenium in an amount of 0.01 to 80% by weight based on the weight of the polymer solid electrolyte. A "solid polymer electrolyte composition" has been proposed. The method proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-90111 is also a method for preventing crossover by generating water in the solid polymer electrolyte membrane.
[0013]
As a technique for preventing the crossover phenomenon as described above, there has been proposed a technique for generating water molecules from oxygen gas and hydrogen gas that have passed through the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer as they are inside the solid polymer electrolyte membrane. .
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional method described above is a method of promoting the generation of water molecules using a catalyst from oxygen gas and hydrogen gas that are to permeate the solid polymer electrolyte membrane. Accordingly, oxygen gas and hydrogen gas that are not generated as water molecules by the catalyst contained in the ion exchange membrane will move to the opposite side as they are. However, it is difficult to generate all oxygen gas and hydrogen gas moving inside the solid polymer electrolyte membrane in water by the action of the catalyst. Therefore, development of methods other than the method using a catalyst has been demanded.
[0015]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte membrane fuel cell having an excellent crossover prevention effect.
[0016]
[Means, actions and effects for solving the problems]
As a result of studying the structure of a cell used in a solid polymer electrolyte membrane fuel cell, the present inventor has found that the solid polymer electrolyte membrane has a film thickness of about 30 to 200 μm. We thought that the crossover phenomenon was caused by the pressure applied to the oxygen gas and hydrogen gas supplied to the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte membrane.
[0017]
In particular, the gas pressure of oxygen gas and hydrogen gas is high near the oxygen flow path through which oxygen gas and hydrogen gas respectively flow, and the hydrogen inlet of the hydrogen flow path, and conversely around the discharge opening of the oxygen flow path and hydrogen flow path. The gas pressure of oxygen gas or hydrogen gas is low. Accordingly, the hydrogen gas pressure applied to the anode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is high at the site where the hydrogen gas is introduced into the water channel, and the hydrogen gas that has not reacted in the anode catalyst layer remains as it is in the solid polymer electrolyte. Penetration into the membrane is likely to occur.
[0018]
In this case, the portion of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the inlet through which hydrogen gas is introduced into the hydrogen channel corresponds to the outlet through which oxygen gas is discharged from the oxygen channel at the same time. Arise. As shown in FIG. 1, since the oxygen channel and the hydrogen channel are located on different planes, they need not be set to be parallel, and can be set to have a twisted positional relationship. Usually, the oxygen flow path and the hydrogen flow path are set in such a positional relationship of twist. Even if the parallel positional relationship is set, this occurs if the directions in which the oxygen gas and hydrogen gas flowing in the oxygen channel and the hydrogen channel flow are opposite.
[0019]
In this part, the pressure of hydrogen gas is strong on the anode catalyst layer side, and the pressure of oxygen gas is weak on the cathode catalyst layer side. Therefore, it is considered that it is more likely that hydrogen gas that has not reacted in the anode catalyst layer passes through the solid polymer electrolyte membrane as it is at this portion.
[0020]
For example, in the solid polymer electrolyte membrane fuel cell observed by the inventor, the hydrogen gas pressure at the hydrogen inlet of the hydrogen channel is 0.15 MPa, the hydrogen gas pressure at the outlet is 0.1 MPa, At the inlet of the flow path, the oxygen gas pressure was 0.2 MPa, and at the outlet, the oxygen gas pressure was 0.1 MPa. In this example, the solid polymer electrolyte membrane corresponds to the hydrogen inlet of the hydrogen channel and at the same time corresponding to the oxygen channel outlet, the hydrogen gas pressure and the oxygen gas pressure are 0.05 MPa. There is a pressure difference. Therefore, it is considered that the hydrogen gas that has not reacted in the anode catalyst layer easily passes through the solid polymer electrolyte membrane as it is.
[0021]
Therefore, the present inventor has invented a solid polymer electrolyte membrane fuel cell that solves the above problems as a result of intensive studies.
[0022]
    A first invention for solving the above-mentioned problems is a membrane electrode joint including a solid polymer electrolyte membrane including an ion exchange membrane, an anode catalyst layer disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer. A solid polymer electrolyte membrane fuel cell having a body, an anode separator provided opposite to both sides of the membrane electrode assembly and provided with a hydrogen separator and a cathode separator provided with an oxygen passage through which oxygen flows. In the solid polymer electrolyte membrane, the thickness of the portion corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen flow path is gradually thicker than the thickness of the portion not corresponding to the hydrogen inlet.At the same time, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is gradually increased toward the portion corresponding to the hydrogen inlet along the hydrogen flow path.This is a solid polymer electrolyte membrane fuel cell.
[0023]
The hydrogen channel is usually formed by a concave groove. In this hydrogen flow path, the hydrogen gas pressure is highest at the hydrogen inlet where hydrogen is introduced. Therefore, the anode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane corresponding to this hydrogen inlet are pressed by this high gas pressure of hydrogen. Therefore, it is easy for the hydrogen gas that has not reacted in the anode catalyst layer to pass through the solid polymer electrolyte membrane including the ion exchange membrane as it is due to the high gas pressure of the hydrogen gas. Therefore, in the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the first aspect of the invention, the thickness of the portion corresponding to the hydrogen inlet in the solid polymer electrolyte membrane is increased so that the hydrogen gas is directly on the opposite side, that is, the cathode catalyst. The movement to the layer side is prevented.
[0024]
Thus, the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the first invention has the effect of preventing the crossover phenomenon. In addition, the thickness of the portion of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the hydrogen inlet where the hydrogen gas pressure is high is made thicker, and the thickness of the other portions is made thinner. It is possible to prevent the value from increasing.
[0025]
In this case, the solid polymer electrolyte membrane is a portion corresponding to the hydrogen inlet, and at the same time, the portion corresponding to the oxygen outlet for discharging oxygen in the oxygen channel has a film thickness of the other portion. It is preferable that the thickness is gradually increased from the thickness.
[0026]
That is, as described above, the hydrogen gas pressure applied to the anode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is high at this portion, and the oxygen gas pressure applied to the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is low. Therefore, it is more likely that hydrogen gas that has not reacted in the anode catalyst layer permeates the solid polymer electrolyte membrane as it is. Therefore, by gradually increasing the film thickness of this part more than the film thickness of other parts, the hydrogen gas is prevented from moving to the opposite side as it is.
[0028]
  In the solid polymer electrolyte membrane, an ion exchange membrane is used to move protons from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer. As described above, the membrane surface of the ion exchange membrane is used to reinforce the ion exchange membrane. Reinforcing film is provided in contact withThe
[0029]
  A second invention for solving the above-mentioned problems is a membrane electrode junction comprising a solid polymer electrolyte membrane including an ion exchange membrane, and an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer disposed opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane. A solid polymer electrolyte membrane fuel cell having a body, an anode separator provided opposite to both sides of the membrane electrode assembly and provided with a hydrogen separator and a cathode separator provided with an oxygen passage through which oxygen flows. The solid polymer electrolyte membrane has a density corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen channel.Not compatible with hydrogen inletThe solid polymer electrolyte membrane fuel cell is characterized by being gradually larger than the density of the part.
[0030]
In the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the first invention, by gradually increasing the thickness of the solid polymer electrolyte membrane at the site corresponding to the hydrogen inlet of the hydrogen flow path from the thickness of the other site, Whereas the hydrogen gas is prevented from moving to the cathode catalyst layer as it is, the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the second invention is a solid at the portion corresponding to the hydrogen inlet of the hydrogen channel. By making the density of the polymer electrolyte membrane larger than the density of other parts, the hydrogen gas is prevented from moving to the cathode catalyst layer side as it is.
[0031]
  Thus, the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the second invention has the effect of preventing the crossover phenomenon. Also, increase the density of the part of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the hydrogen inlet where the hydrogen gas pressure is high,densityTherefore, the resistance value of the solid polymer electrolyte membrane can be prevented from increasing.
[0032]
Further, in this case, the density of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the hydrogen inlet and at the same time corresponding to the oxygen outlet for discharging oxygen in the oxygen channel is higher than the density of other parts. Is preferably gradually increased.
[0034]
  In the solid polymer electrolyte membrane, an ion exchange membrane is used to move protons from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer. As described above, the membrane surface of the ion exchange membrane is used to reinforce the ion exchange membrane. Reinforcing film is provided in contact withThe
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention will be described below.
[0036]
(Embodiment of the first invention)
(1) Configuration, etc.
A solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to a first invention comprises a solid polymer electrolyte membrane including an ion exchange membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer disposed on opposite sides of the solid polymer electrolyte membrane. A solid polymer electrolyte membrane type comprising: a membrane electrode assembly including: an anode separator provided opposite to both sides of the membrane electrode assembly, provided with a hydrogen channel through which hydrogen flows; and a cathode separator provided with an oxygen channel through which oxygen flows In the fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane is characterized in that the thickness of the portion corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen channel is gradually thicker than the thickness of the other portion. .
[0037]
Therefore, as for the configuration of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the first invention, the solid polymer electrolyte membrane has a film thickness of the portion corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen flow path of other portions. If it is configured to realize that it is gradually thicker than the film thickness, other elements, members, etc. can be basically implemented in the configuration of a normal solid polymer electrolyte membrane fuel cell. is there. Therefore, the form which changed embodiment shown here within the range of the invention described in the claim is also possible.
[0038]
That is, as shown in FIG. 1, in the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the first invention, the anode separator 30 and the cathode separator 20 can be disposed opposite to both sides of the membrane electrode assembly 10. . The membrane electrode assembly 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 11 including an ion exchange membrane, and an anode catalyst layer 13 and a cathode catalyst layer 12 disposed to face both sides of the solid polymer electrolyte membrane.
[0039]
The anode separator 30 is provided with a hydrogen channel 31 so that hydrogen gas flows. A diffusion layer (not shown) can be provided between the anode separator 30 and the anode catalyst layer 13 so that the hydrogen flowing through the hydrogen flow path 31 diffuses and reaches the anode catalyst layer 13. A cooling water channel 32 through which cooling water flows can be provided on the surface of the anode separator 30 opposite to the surface on which the hydrogen channel 31 is provided.
[0040]
Further, the cathode separator 20 is provided with an oxygen channel 21 so that oxygen gas flows. In general, a diffusion layer (not shown) can be provided between the cathode separator 20 and the cathode catalyst layer 12 so that oxygen flowing through the oxygen channel 21 diffuses and reaches the cathode catalyst layer 12. . A cooling water channel 22 through which cooling water flows can be provided on the surface of the cathode separator 20 opposite to the surface on which the oxygen channel 21 is provided.
[0041]
A plurality of cells including the cathode separator 20, the anode separator 30, and the membrane electrode assembly 10 are stacked, and the cells are electrically connected to form a solid polymer electrolyte membrane fuel cell. A stack can be configured.
[0042]
The membrane electrode assembly 10 can be composed of a solid polymer electrolyte membrane 11 and a cathode catalyst layer 12 and an anode catalyst layer 13 disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 11. The anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12 can be configured using known materials. For example, the anode catalyst layer 13 can be configured using a material in which a platinum catalyst is supported on carbon powder and a fluorine-based resin such as perfluoroethylenesulfonic acid is mixed. Moreover, the cathode catalyst layer 12 can also be comprised using the same material. The anode catalyst layer 13 can be approximately 4 to 20 μm. The cathode catalyst layer 12 can be approximately 2 to 10 μm.
[0043]
The solid polymer electrolyte membrane 11 sandwiched between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12 includes an ion exchange membrane, and can have a reinforcing membrane that reinforces the ion exchange membrane as necessary. . The ion exchange membrane can be constructed using perfluoroethylene sulfonic acid, and the reinforcing membrane can be constructed using PTFE (polytetrafluoroethylene). In this case, the number of ion exchange membranes can be one, or two or more. The reinforcing membrane is used as needed, but can be used in consideration of the number of ion exchange membranes. For example, when three ion exchange membranes are laminated, two reinforcing membranes can be used and laminated one by one between the two ion exchange membranes.
[0044]
The solid polymer electrolyte membrane is configured such that the thickness of the portion corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen flow path becomes gradually thicker than the thickness of the other portions. In this case, the thickness of the portion corresponding to the hydrogen inlet and the portion corresponding to the oxygen outlet that simultaneously discharges oxygen in the oxygen flow path is gradually made thicker than the thickness of other portions. It is preferable to do.
[0045]
In this case, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane can be approximately 50 μm at the thickest portion and approximately 30 μm at the thinnest portion.
[0046]
  In this case,Solid polymer electrolyte membraneIon exchange membrane and reinforcing membraneWhen consists ofThe thickness of the part corresponding to the hydrogen inlet is gradually made thicker than the thickness of the other parts, or the part corresponding to the hydrogen inlet and simultaneously corresponding to the oxygen outlet The film thickness can be made gradually thicker than the film thickness of other parts.
[0047]
  The film thickness of the ion exchange membrane can be approximately 20 μm at the thickest part and can be approximately 5 μm at the thinnest part. Also reinforcing membrane membraneThicknessCan be approximately 7.5 μm at the thickest part and approximately 5 μm at the thinnest part.
[0048]
  Ion exchange membraneas well asReinforcing membraneConsist ofA solid polymer electrolyte membrane having a gradually increased thickness can be produced as follows. The raw material resin is melted by heat and formed into a film by a stretching method. At that time, a desired thickness can be obtained by controlling the stretching force.
[0049]
When the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is gradually increased in this way, the shape of the cathode separator facing the cathode catalyst layer and the shape of the anode separator facing the anode catalyst layer are adjusted. Alternatively, the cell can be configured by adjusting the thickness of the diffusion layer between the cathode separator and the cathode catalyst layer and the thickness of the diffusion layer between the anode separator and the anode catalyst layer.
[0050]
The cathode separator and the anode separator can be formed into a normal shape with a commonly used material except that the shape is adjusted as described above. For example, using a carbon plate with airtightness or a metal plate with corrosion resistance using JIS G 4311 SUS304 (heat resistant steel rod) or the like, a concave groove is provided on the surface on the side where the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are present. Thus, an oxygen channel through which oxygen flows and a hydrogen channel through which hydrogen flows can be configured, and a concave groove can be provided on the opposite surface to configure a cooling water channel.
[0051]
The diffusion layer can be formed using a known material such as carbon cloth or carbon felt, and can have a thickness of about 100 to 300 μm.
[0052]
In this way, the thickness of the part corresponding to the hydrogen inlet is gradually made thicker than the thickness of the other parts, or the part corresponding to the hydrogen inlet and at the same time corresponding to the oxygen outlet. The crossover phenomenon in which hydrogen gas moves from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer as it is can be prevented by making the film thickness of the existing part gradually thicker than the film thickness of other parts.
[0053]
In addition, by increasing the thickness of the portion of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the hydrogen inlet with high pressure of hydrogen gas and gradually decreasing the thickness of the other portions, the resistance of the solid polymer electrolyte membrane is increased. An increase in value can be prevented.
[0054]
(2) Example 1
FIG. 2 shows Example 1 in which the ion exchange membrane and the reinforcing membrane inside the solid polymer electrolyte membrane were gradually thickened. FIG. 2 is a cross-sectional view of a cell in the vicinity of a hydrogen inlet of a hydrogen passage through which hydrogen gas flows. Here, a cell composed of a solid polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and an anode catalyst layer is shown, and members, elements, etc. other than the cell are omitted.
[0055]
In Example 1, the anode catalyst layer 70 and the cathode catalyst layer 50 are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 60. The solid polymer electrolyte membrane 60 includes a first ion exchange membrane 61, a first reinforcement membrane 62, a second ion exchange membrane 63, a second reinforcement membrane 64, and a third ion exchange membrane 65.
[0056]
The anode catalyst layer 70 is formed using carbon, platinum, or fluorine-based resin, and has a thickness of approximately 10 μm. The cathode catalyst layer 50 is also formed using the same material and has a thickness of approximately 5 μm.
[0057]
On the other hand, the film thickness of the solid polymer electrolyte membrane 60 increases from right to left in FIG. The film thickness of the solid polymer electrolyte membrane 60 of Example 1 is approximately 30 μm to 50 μm from the right end to the left end in FIG. The breakdown is as follows. The first ion exchange membrane 61 has a thickness of about 5 μm to 7.5 μm, the first reinforcing membrane 62 has a thickness of about 5 μm to 7.5 μm, and the second ion exchange membrane 63 has a thickness of about 10 μm to 20 μm. The film thickness of the second reinforcing membrane 64 is approximately 5 μm to 7.5 μm, and the film thickness of the third ion exchange membrane 65 is approximately 5 μm to 7.5 μm.
[0058]
In Example 1, perfluoroethylene sulfonic acid can be used as the material for the ion exchange membranes 61, 63, 65, and PTFE can be used as the material for the reinforcing membrane.
[0059]
In this way, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is gradually increased so that the thickness of the ion exchange membranes 61, 63, 65 and the reinforcing membranes 62, 64 is maximized at the portion corresponding to the hydrogen inlet of the hydrogen flow path. can do.
[0067]
(Embodiment of the second invention)
(1) Configuration, etc.
A solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to a second invention comprises a solid polymer electrolyte membrane including an ion exchange membrane, and an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer disposed opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane. A solid polymer electrolyte membrane type comprising: a membrane electrode assembly including: an anode separator provided opposite to both sides of the membrane electrode assembly, provided with a hydrogen channel through which hydrogen flows; and a cathode separator provided with an oxygen channel through which oxygen flows In the fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane is characterized in that the density of the part corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen flow path is gradually increased from the density of the other part.
[0068]
Regarding the configuration of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the second aspect of the present invention, the density of the solid polymer electrolyte membrane is different from the portion corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen channel. The configuration is basically the same as that of the embodiment of the first invention except that it is configured to be gradually larger than the portion. Therefore, here, the description will focus on the parts that are different from the embodiment of the first invention.
[0069]
The solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer. The solid polymer electrolyte membrane includes an ion exchange membrane, and a reinforcing membrane that reinforces the ion exchange membrane as necessary. Can have.
[0070]
The ion exchange membrane can be constructed using perfluoroethylene sulfonic acid, and the reinforcing membrane can be constructed using PTFE. In this case, the number of ion exchange membranes can be one, or two or more. The reinforcing membrane is used as needed, but can be used in consideration of the number of ion exchange membranes. For example, when three ion exchange membranes are laminated, two reinforcing membranes can be used and laminated one by one between the two ion exchange membranes.
[0071]
The ion exchange membrane can be approximately 5 to 20 μm, and the reinforcing membrane can be approximately 5 to 15 μm. Unlike the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the first invention, the ion exchange membrane and the reinforcing membrane can be formed with a uniform thickness.
[0072]
The solid polymer electrolyte membrane is configured such that the density of the part corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen channel gradually becomes higher than the density of the other part. In this case, the density of the part corresponding to the hydrogen inlet and the part corresponding to the oxygen outlet for discharging oxygen in the oxygen flow path is gradually increased further than the density of other parts. It is preferable to configure.
[0073]
  In this case,Solid polymer electrolyte membraneIon exchange membrane and reinforcing membraneWhen consists ofThe density of the part corresponding to the hydrogen inlet is gradually increased from the density of other parts, or the density of the part corresponding to the hydrogen inlet and corresponding to the oxygen outlet at the same time. Can be made gradually larger than the density of other parts.
[0074]
The density of the ion exchange membrane is approximately 3 g / cm at the highest density portion.^ThreeApproximately 1.5 g / cm at the lowest density part^ThreeIt can be. The density of the reinforcing membrane is approximately 3 g / cm at the highest density part.^ThreeAbout 1.5 g / cm at the thinnest part^ThreeIt can be.
[0075]
  Ion exchange membrane like thisas well asReinforcing membraneSolid polymer electrolyte membrane comprisingIn the case of gradually increasing the density of the ion exchange membraneas well asReinforcing membraneSolid polymer electrolyte membrane comprisingIt is not necessary to increase the thickness of the film, and it can be made uniform. However, the ion exchange membraneas well asReinforcing membraneSolid polymer electrolyte membrane comprisingWhen the density is increased, these film thicknesses may be increased at the same time.
[0076]
  Ion exchange membraneas well asReinforcing membraneConsist ofThe solid polymer electrolyte membrane with gradually increasing density can be produced by the following method. That is, by incorporating a solid polymer electrolyte membrane having a gradually increased film thickness into the separator and stacking the cells, the density of the thickened portion can be increased.
[0077]
In this embodiment, since the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is basically uniform, the shape of the cathode separator facing the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer of the anode separator are faced. It is not necessary to adjust the shape on the side where the electrode is disposed, or to adjust the thickness of the diffusion layer between the cathode separator and the cathode catalyst layer or the thickness of the diffusion layer between the anode separator and the anode catalyst layer.
[0078]
In this way, in the solid polymer electrolyte membrane, the density of the part corresponding to the hydrogen inlet is gradually increased from the density of the other parts, or the part corresponding to the hydrogen inlet is simultaneously oxygenated. By making the density of the part corresponding to the outlet gradually thicker than the density of the other parts, it is possible to prevent the crossover phenomenon that the hydrogen gas moves from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer as it is. .
[0079]
In addition, by increasing the density of the portion of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the hydrogen inlet with high pressure of hydrogen gas and gradually decreasing the density of other portions, the resistance value of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced. An increase can be prevented.
[0080]
  <2> Examples2
  Here, gradually increase the density of the ion exchange membrane and the reinforcing membrane inside the solid polymer electrolyte membrane.didExample2The figure3Shown in Figure3FIG. 3 is a cross-sectional view of a cell in the vicinity of a hydrogen inlet of a hydrogen flow path through which hydrogen gas flows. Here, a cell composed of a solid polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and an anode catalyst layer is shown, and members, elements, etc. other than the cell are omitted. In addition, about the code | symbol in a figure, the code | symbol same as FIG. 2 was used about the same kind of element as Example 1. FIG.
[0081]
  Example2Then, the anode catalyst layer 70 and the cathode catalyst layer 50 are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 60. The solid polymer electrolyte membrane 60 includes a first ion exchange membrane 61, a first reinforcement membrane 62, a second ion exchange membrane 63, a second reinforcement membrane 64, and a third ion exchange membrane 65.
[0082]
The anode catalyst layer 70 is formed using carbon, platinum, or fluorine-based resin, and has a thickness of approximately 10 μm. The cathode catalyst layer 50 is also formed using the same material and has a thickness of approximately 5 μm. The thickness of the first ion exchange membrane 61 is approximately 5 μm, the thickness of the first reinforcement membrane 62 is approximately 5 μm, the thickness of the second ion exchange membrane 63 is approximately 10 μm, the thickness of the second reinforcement membrane 64 is approximately 5 μm, and The film thickness of the third ion exchange membrane 65 is approximately 5 μm.
[0083]
  Figure in this case3From the right end to the left end, the density of the first ion exchange membrane 61 is 1.5 g / cm³To 3 g / cm³The density of the first reinforcing film 62 is 1.5 g / cm.³To 3 g / cm³The density of the second ion exchange membrane 63 is 1.5 g / cm.³To 3 g / cm³The density of the second reinforcing film 64 is 1.5 g / cm.³To 3 g / cm³The density of the third ion exchange membrane 65 is 1.5 g / cm.³To 3 g / cm³And gradually getting bigger
  This example2Then, purple olefin ethylene sulfonic acid can be used as the material of the ion exchange membranes 61, 63, 65, and PTFE can be used as the material of the reinforcing membrane.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a cell of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell.
2 is a diagram showing an anode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer of Example 1. FIG.
[Figure3】 Example2It is the figure which showed the anode catalyst layer of this, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer.
[Explanation of symbols]
  10: Membrane electrode assembly
  11: Solid polymer electrolyte membrane
  12: Cathode catalyst layer 13: Anode catalyst layer
  20: Cathode separator
  21: Oxygen channel 22: Cooling water channel
  30: Anode separator
  31: Hydrogen channel 32: Cooling channel
  50: Cathode catalyst layer
  60: Solid polymer electrolyte membrane
  61: 1st ion exchange membrane 62: 1st reinforcement membrane
  63: Second ion exchange membrane 64: Second reinforcing membrane
  65: Third ion exchange membrane
  70: Anode catalyst layer

Claims

A membrane electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane including an ion exchange membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer disposed opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and both sides of the membrane electrode assembly In a solid polymer electrolyte membrane fuel cell having an anode separator provided with a hydrogen flow path that is disposed opposite to and flows a hydrogen and a cathode separator provided with an oxygen flow path through which oxygen flows.
In the solid polymer electrolyte membrane, the thickness of the portion corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen channel is gradually increased from the thickness of the portion not corresponding to the hydrogen inlet. And the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is gradually increased toward the portion corresponding to the hydrogen inlet along the hydrogen flow path. Fuel cell.

The thickness of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the hydrogen inlet and the portion corresponding to the oxygen outlet that discharges oxygen in the oxygen channel at the same time is the thickness of the other portion. 2. The solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 1, wherein the thickness is gradually increased.

A membrane electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane including an ion exchange membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer disposed opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and both sides of the membrane electrode assembly In a solid polymer electrolyte membrane fuel cell having an anode separator provided with a hydrogen flow path that is disposed opposite to and flows a hydrogen and a cathode separator provided with an oxygen flow path through which oxygen flows.
In the solid polymer electrolyte membrane, the density of the part corresponding to the hydrogen inlet for introducing hydrogen in the hydrogen channel is gradually increased from the density of the part not corresponding to the hydrogen inlet. A solid polymer electrolyte membrane fuel cell.

The solid polymer electrolyte membrane is a portion corresponding to the hydrogen inlet, and at the same time, the density of the portion corresponding to the oxygen outlet for discharging oxygen in the oxygen channel is higher than the density of other portions. 4. The solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 3, wherein the fuel cell is gradually enlarged.