JP4790873B2 - 膜電極接合体及びその製造方法、並びに燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた1対の触媒層と、
前記一対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第1主面とその反対側に位置する第2主面とを有し、前記第2主面側に互いに隣接するようの複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が前記第1主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体を提供する。
これらの知見に基づき、本発明者らは、以下の本発明に想到した。
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた1対の触媒層と、
前記一対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第1主面とその反対側に位置する第2主面とを有し、前記第2主面側に互いに隣接するように複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が、前記第1主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体を提供する。
前記ガス拡散層の第1主面の外周側に位置するガス流路は、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、
第3態様に記載の膜電極接合体を提供する。
前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する1対のセパレータと、
を有する、燃料電池を提供する。
前記ガス拡散層の前記第2主面側に配置され、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する第1セパレータと、
前記集電板と対をなして前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接触する一方の主面には、溝状のガス流路が形成された第2セパレータと、
を有する、燃料電池を提供する。
先細り形状の突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第1主面に前記突起部を挿入することにより、前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第2主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法を提供する。
突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第1主面に前記突起部を挿入し、
前記挿入した突起部を前記多孔質部材の面方向に移動させることにより、前記多孔質部材の第1主面に前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第2主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法を提供する。
前記ガス流路は、前記第1突起と前記第2突起とを互いに離れる方向に移動させることにより形成される、第15態様に記載の膜電極接合体の製造方法を提供する。
図1を用いて、本発明の第1実施形態にかかる燃料電池の基本構成について説明する。図1は、本第1実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。本第1実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
ステップS3では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップS4では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整し、シート状の多孔質部材M14を作製する。このとき、多孔質部材M14の多孔度は、全体的に均一(例えば70%)である。
まず、ガス拡散層を構成する各材料の真密度と組成比率から、製造したガス拡散層の見かけ真密度を算出する。
次いで、製造したガス拡散層の重量、厚さ、縦横寸法を測定して、製造したガス拡散層の密度を算出する。
次いで、多孔度=(ガス拡散層の密度)/(見かけ真密度)×100の式に、前記算出したガス拡散層の密度及び見かけ真密度を代入し、多孔度を算出する。
以上のようにして、製造したガス拡散層の多孔度を測定することができる。
なお、製造したガス拡散層の細孔径分布を、水銀ポロシメータを用いて測定したところ、累積細孔量から算出できる多孔度と、前記のようにして算出した多孔度とが一致していることを確認している。
ステップS12では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延して、シート状の多孔質部材M14を作製する。
ステップS14では、ガス流路21を形成した多孔質部材を焼成して、前記多孔質部材中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
これにより、図2に示すガス拡散層14を得ることができる。
なお、前記では界面活性剤を使用したが、界面活性剤を使用しなくても、本第1実施形態にかかるガス拡散層14は製造可能である。
本発明の第2実施形態にかかる燃料電池について説明する。図10は、本第2実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。図11は、図10の燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図である。本第2実施形態にかかる燃料電池が前記第1実施形態にかかる燃料電池と異なる点は、ガス流路21Bの断面形状が矩形である点である。本第2実施形態において、リブ部22Bの多孔度は、リブ下方領域23B及び流路下方領域24Bの多孔度よりも低くなるように構成されている。なお、図11に示す複数の黒丸は、多孔度の違いを示すために便宜的に付したものである。
ステップS22では、図13Bに示すように、金型31,34を型閉じして多孔質部材M14を圧延する。このとき、多孔質部材M14の第1主面に各突起部34aが挿入される。
ステップS23では、図13Cに示すように、突起部34aを構成する平板34b,34cを多孔質部材M14の面方向であって互いに離れる方向に移動させる。これにより、多孔質部材M14に複数の矩形断面のガス流路21Bが形成される。このとき、各平板34b,34cは、リブ部22Bを圧縮する方向に押すので、リブ部22Bの多孔度が他の部分よりも低く(例えば、40〜50%)なる。すなわち、リブ部22Bの多孔度は、リブ下方領域23B及び流路下方領域24Bの多孔度よりも低くなる。これにより、図11に示すガス拡散層14Bを得ることができる。
次いで、図13Bに示すように、金型31と金型34とを型閉じし、各突起部34aを、平板34bと平板34cとが互いに接触した状態で多孔質部材M14内に挿入する。
次いで、図15Bに示すように、金型31,35を型閉じして多孔質部材M14を圧延する。このとき、多孔質部材M14の第1主面に各平板35aが挿入される。
次いで、図15Cに示すように、多孔質部材M14内に挿入した各平板35aを、多孔質部材M14の面方向に移動させる。これにより、多孔質部材M14に矩形断面のガス流路21Bが形成される。このとき、各平板35aは、リブ部22Bを圧縮する方向に押すので、リブ部22Bの多孔度が他の部分よりも低く(例えば、40〜50%)なる。すなわち、リブ部22Bの多孔度は、リブ下方領域23B及び流路下方領域24Bの多孔度よりも低くなる。これにより、図11に示すガス拡散層14Bを得ることができる。
次いで、図15Bに示すように、金型31と金型35とを型閉じし、各平板35aを多孔質部材M14内に挿入する。
本発明の第3実施形態にかかる燃料電池について説明する。図16は、本第3実施形態にかかる燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。図17は、図16の燃料電池が備えるガス拡散層の拡大斜視図である。本第3実施形態にかかる燃料電池が前記第1実施形態にかかる燃料電池と異なる点は、ガス拡散層14Cのガス流路21Cの断面形状がアーチ型である点である。それ以外の点については、前記第1実施形態にかかる燃料電池と同様に構成されている。すなわち、ガス拡散層14Cは、リブ部22Cの多孔度がリブ下方領域23Cの多孔度よりも低くなるように構成されている。なお、図17に示す複数の黒丸は、多孔度の違いを示すために便宜的に付したものである。
ステップS32では、混錬して得た混錬物を平板プレス機で圧延してシート状に成形する。
ステップS33では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップS34では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整し、シート状の多孔質部材M14を作製する。
なお、ステップS31〜S34は、前記ステップS1〜S4と同様である。
Claims (16)
- 高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むように設けられた1対の触媒層と、
前記1対の触媒層及び前記高分子電解質膜を挟むように対をなして設けられ、その少なくとも一方が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成され、前記触媒層に接する第1主面とその反対側に位置する第2主面とを有し、前記第2主面側に互いに隣接するように複数のガス流路が形成され、前記互いに隣接するガス流路を隔てるリブ部の多孔度が、前記第1主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低く形成されたガス拡散層と、
を有する、膜電極接合体。 - 前記リブ部の多孔度が、前記第2主面側に位置する前記ガス流路の下方領域の多孔度よりも低い、請求項1に記載の膜電極接合体。
- 前記ガス流路の少なくとも一部は、前記第2主面側に位置する底部から前記第1主面側に位置する上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、請求項1又は2に記載の膜電極接合体。
- 前記ガス拡散層の第1主面の中心側に位置するガス流路は、矩形の断面形状を有し、
前記ガス拡散層の第1主面の外周側に位置するガス流路は、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、
請求項3に記載の膜電極接合体。 - 前記ガス流路の全部が、前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状を有している、請求項3に記載の膜電極接合体。
- 前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、三角形である、請求項3〜5のいずれか1つに記載の膜電極接合体。
- 前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、アーチ型である、請求項3〜5のいずれか1つに記載の膜電極接合体。
- 前記底部から前記上部に向かって流路幅が大きくなる断面形状は、台形である、請求項3〜5のいずれか1つに記載の膜電極接合体。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する1対のセパレータと、
を有する、燃料電池。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
前記ガス拡散層の前記第2主面側に配置され、前記膜電極接合体と接する側の面が平坦な形状を有する第1セパレータと、
前記第1セパレータと対をなして前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記膜電極接合体と接触する一方の主面には、溝状のガス流路が形成された第2セパレータと、
を有する、燃料電池。 - 第1主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
先細り形状の突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第1主面に前記突起部を挿入することにより、前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第2主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法。 - 前記突起部の断面形状が三角形である、請求項11に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記突起部の断面形状がアーチ型である、請求項11に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記突起部の断面形状が台形である、請求項11に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 第1主面にガス流路が形成された膜電極接合体を製造する方法であって、
突起部を有する金型に導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状の多孔質部材を配置した後、前記金型を型閉じして、前記多孔質部材の第1主面に前記突起部を挿入し、
前記挿入した突起部を前記多孔質部材の面方向に移動させることにより、前記多孔質部材の第1主面に前記ガス流路を形成するとともに、互いに隣接する前記ガス流路を隔てるリブ部の多孔度を前記多孔質部材の第2主面側に位置する前記リブ部の下方領域の多孔度よりも低くする、
ことを含む、膜電極接合体の製造方法。 - 前記突起部は、第1突起と第2突起とを有し、
前記ガス流路は、前記第1突起と前記第2突起とを互いに離れる方向に移動させることにより形成される、請求項15に記載の膜電極接合体の製造方法。
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