JP4469414B2 - 膜電極接合体 - Google Patents
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Description
MEAにおける高分子電解質膜の材料も、燃料電池の用途などに応じて、フッ素樹脂系のイオン交換膜や炭化水素樹脂系のイオン交換膜などが使用される。
図1の燃料電池1はMEA2、およびMEA2を挟むセパレータ3a、3bから構成される。セパレータ3bには固有情報表示部4が固定されている。固有情報表示部4に表示された固有情報を読み取ることで、燃料電池1の固有情報を得ることができる。
[1]高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および空気極からなる一対の触媒電極と、前記高分子電解質膜および前記一対の触媒電極を収容し、冷却媒体入口マニホールドを有する枠体部と、固有情報部と、を有する膜電極接合体であって、前記固有情報部には前記膜電極接合体の固有情報が記録され、前記固有情報部は、前記冷却媒体入口マニホールドの近傍であって、前記冷却媒体入口マニホールドと前記枠体部の縁との間の前記枠体部に配置される、膜電極接合体。
[2]前記固有情報は、前記触媒電極の触媒組成に関する情報を含む、[1]に記載の膜電極接合体。
[3]前記枠体部は凹部を有し、前記固有情報部は前記凹部に配置されている、[1]または[2]に記載の膜電極接合体。
[4]一対のセパレータに挟まれる[1]または[2]に記載の膜電極接合体であって、前記枠体部の一部は、前記セパレータから前記膜電極接合体の面方向にはみ出しており、前記固有情報部は、前記枠体部の前記セパレータからはみ出した箇所に配置されている、膜電極接合体。
[5]一対のセパレータに挟まれる[1]または[2]に記載の膜電極接合体であって、前記セパレータは凹部を有し、前記固有情報部は、前記セパレータの凹部内に位置するように前記枠体部に配置される、膜電極接合体。
[6]前記固有情報部は、1次元コード、2次元コード、ドット、文字列またはICチップである、[1]〜[5]のいずれかに記載の膜電極接合体。
[7]前記[1]に記載の膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する、燃料電池。
MEAは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
セパレータは冷却媒体を供給するための冷却媒体入口マニホールドおよび冷却媒体を排出するための冷却媒体出口マニホールドを有する。また、セパレータは、燃料ガスを給排気するためのマニホールド、および酸化ガスを給排気するためのマニホールドを有する。さらにセパレータは、冷却媒体や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。
上述のように、本発明のMEAは、固有情報部を有する。固有情報部には、MEAの固有情報が記録されている。MEAの固有情報とは、触媒電極の触媒組成に関する情報を含む。具体的には、固有情報は、燃料極側の触媒層および空気極側の触媒層の白金の含有量を含む。固有情報はさらに、触媒層に含まれる電解質、撥水剤などの組成や量、および高分子電解質膜に含まれる電解質の組成や量などに関する情報を含んでもよい。
固有情報部は、発電時の熱や温度変化によって劣化する恐れがある。例えば、固有情報部が接着剤によってMEAに接着されている場合、燃料電池の発電時における熱によって固有情報部が剥がれ落ちたり、固有情報部が熱により劣化し固有情報が読み取れなくなったりする恐れがある。また、固有情報部がMEAに成形されている場合、MEAに成形されたパターンが熱によって変形し、固有情報が読み取れなくなる恐れがある。
一方、固有情報部がガス拡散層に直接成形される場合、ガス拡散層の材料はカーボンシートであることが好ましい。
予め一次元コードやドット、2次元コード、文字列の転写パターンを成形しておき、枠体部を成形すると同時に固有情報部を成形してもよい。
本発明の燃料電池は、本発明のMEAをセパレータで挟み込み製造される。また、このように製造された燃料電池を積層し、燃料電池スタックにしてもよい。燃料電池をいくつ積層するかは、必要とする出力によって適宜選択される。必要とする出力が大きい場合は、積層する燃料電池の枚数を増やせばよい。積層した燃料電池は、集電板および端板によって所定の締結圧が加えられ、締結され固定される。
燃料電池からMEAを取り出すには、燃料電池からセパレータを取り外せばよい。セパレータは金属またはカーボンから構成されている。取り外されたセパレータは、別のリサイクル工程に移行されてもよい。
ステップS1000およびステップS1100は機械的に行われるが、MEAから希少金属などを回収する工程は、通常、触媒層から希少金属のみを溶解し回収する、化学的手法を用いる工程である。したがって、コストや効率の観点からバッチ処理が行われる。すなわちMEAはステップS1200で一度回収され集められた後、分別される。
MEAの分別は、固有情報部に記録された固有情報に基づいて行われる。MEAは、例えば燃料極または空気極に用いられた触媒の希少金属の種類ごとや、重量密度ごとに分別される。
高分子電解質膜、ガス拡散層および枠体部も、リサイクル可能であれば、さらに別のリサイクル工程に移行される。
図4は、本発明の実施の形態1のMEAを含む燃料電池100の斜視図である。
図6に示されるように、燃料極セパレータ36は燃料ガス流路37を有し、空気極セパレータ38は酸化ガス流路39および冷却媒体流路35を有する。MEA29は、高分子電解質膜20、空気極触媒層21、燃料極触媒層22、空気極ガス拡散層23、燃料極ガス拡散層24および固有情報部41を有する。
燃料極ガス拡散層24における列Aはセパレータに接しない箇所(ガス流路が配置される箇所)を示し、燃料極ガス拡散層24における列Bはセパレータに接する箇所を示す。
実施の形態2のMEAは、実施の形態1のMEAにおける固有情報部41の形状が異なる以外は、実施の形態1のMEAと同一である。したがって固有情報部41以外の重複する構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
実施の形態3では、固有情報部が高分子電解質膜上に配置される例について説明する。
実施の形態4〜8では、固有情報部が電解質膜補強部材に配置された例について説明する。
図15に示されるように、電解質膜補強部材25は、高分子電解質膜20に接し、かつ高分子電解質膜20のうち、燃料極(燃料極触媒層22および燃料極ガス拡散層24)および空気極(空気極触媒層21および空気極ガス拡散層23)からはみ出した部分を挟む。一方、高分子電解質膜20の縁には電解質膜補強部材25が配置されていない。また、固有情報部41は、シール部42と燃料極触媒層22とに挟まれた電解質膜補強部材25の領域であって、冷却媒体入口マニホールド11aの近傍に配置される。
実施の形態5のMEAは、実施の形態4のMEAにおける電解質膜補強部材25に代えて電解質膜補強部材25aを有するMEAである。電解質膜補強部材25a以外の重複する構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
図17に示されるように、MEA29は電解質膜補強部材25aを有する。電解質膜補強部材25aは、実施の形態4の電解質膜補強部材25と異なり高分子電解質膜20の縁を覆う。
実施の形態6のMEAは、実施の形態5のMEAにおける触媒層21、22および電解質膜補強部材25aに代えて触媒層21a、22aおよび電解質膜補強部材25bを有するMEAである。したがって電解質膜補強部材25bおよび触媒層21a、22a以外の重複する構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
図18に示されるように、MEA29は電解質膜補強部材25bおよび触媒層21a、22aを有する。触媒層21a、22aの面積はガス拡散層23、24の面積よりも小さい。電解質膜補強部材25bは、触媒層21a、22aからはみ出た高分子電解質膜20および触媒層(21a、22a)の縁を覆う。電解質膜補強部材25aと異なり、電解質膜補強部材25bの一部はガス拡散層24および23に覆われている。
実施の形態7のMEAは、実施の形態6のMEAにおける高分子電解質膜20および電解質膜補強部材25bに代えて高分子電解質膜20aおよび電解質膜補強部材25cを有するMEAである。したがって高分子電解質膜20aおよび電解質膜補強部材25c以外の重複する構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
図19に示されるように、MEA29は高分子電解質膜20aおよび電解質膜補強部材25cを有する。高分子電解質膜20aの面積はガス拡散層23、24の面積よりも小さく、触媒層21a、22aの面積と同じである。電解質膜補強部材25cは、高分子電解質膜20aおよび触媒層21a、22aの縁を覆う。
実施の形態8のMEAは、実施の形態7のMEAにおける高分子電解質膜20aおよび電解質膜補強部材25cに代えて高分子電解質膜20bおよび電解質膜補強部材25dを有するMEAである。したがって高分子電解質膜20bおよび電解質膜補強部材25d以外の重複する構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
図20に示されるように、MEA29は高分子電解質膜20bおよび電解質膜補強部材25dを有する。高分子電解質膜20bの面積は触媒層21a、22aの面積よりもさらに小さい。図20のように、高分子電解質膜の面積を、触媒層の面積よりも小さくしてもよいが、触媒層を無駄なく使うためには、高分子電解質膜の面積を触媒層の面積よりも大きくするほうが好ましい。電解質膜補強部材25dは高分子電解質膜20bおよび触媒層21a、22aの縁を覆う。
実施の形態9〜14では、MEAが枠体部を有し、かつ、固有情報部が枠体部に配置された例について説明する。
実施の形態10では、固有情報部を燃料電池スタックの外部に露出するように配置した例について説明する。
実施の形態11および12では、枠体部に形成された凹部に固有情報部を配置する例について説明する。
図26Aは、本発明の実施の形態12の枠体一体型MEA52の正面図である。図26Bは図26Aに示された枠体一体型MEA52のXY線断面図である。枠体一体型MEA50と同一の構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
実施の形態13では、枠体一体型MEAがセパレータよりも長く設計された例について説明する。
図27Aは、本発明の実施の形態13のMEA53を含む燃料電池600の分解斜視図である。図27Bは図27Aに示された燃料電池600の線Xの拡大断面図である。
実施の形態14では、セパレータが凹部を有する例について説明する。
Claims (7)
- 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む、燃料極および空気極からなる一対の触媒電極と、前記高分子電解質膜および前記一対の触媒電極を収容し、冷却媒体入口マニホールドを有する枠体部と、固有情報部と、を有する膜電極接合体であって、
前記固有情報部には前記膜電極接合体の固有情報が記録され、
前記固有情報部は、前記冷却媒体入口マニホールドの近傍であって、前記冷却媒体入口マニホールドと前記枠体部の縁との間の前記枠体部に配置される、膜電極接合体。 - 前記固有情報は、前記触媒電極の触媒組成に関する情報を含む、請求項1に記載の膜電極接合体。
- 前記枠体部は凹部を有し、前記固有情報部は前記凹部に配置されている、請求項1に記載の膜電極接合体。
- 一対のセパレータに挟まれる請求項1に記載の膜電極接合体であって、
前記枠体部の一部は、前記セパレータから前記膜電極接合体の面方向にはみ出しており、前記固有情報部は、前記枠体部の前記セパレータからはみ出した箇所に配置されている、膜電極接合体。 - 一対のセパレータに挟まれる請求項1に記載の膜電極接合体であって、
前記セパレータは凹部を有し、前記固有情報部は、前記セパレータの凹部内に位置するように前記枠体部に配置される、膜電極接合体。 - 前記固有情報部は、1次元コード、2次元コード、ドット、文字列またはICチップである、請求項1に記載の膜電極接合体。
- 請求項1に記載の膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する、燃料電池。
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