JP5157050B2 - Membrane electrode assembly and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を構成する膜電極接合体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly constituting a fuel cell and a manufacturing method thereof.

従来より、電極層の面内方向端部にシール材を含浸成型することにより、電解質膜の破損を防止すると共に燃料電池の製造工程を容易にする膜電極接合体が知られている(特許文献1参照)。
特表2001−510932号公報(例えばFig.3A-3C参照)
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a membrane electrode assembly that prevents damage to an electrolyte membrane and facilitates a manufacturing process of a fuel cell by impregnating and molding a sealing material at an end portion in an in-plane direction of an electrode layer (Patent Document) 1).
JP-T-2001-510932 (see, for example, Fig. 3A-3C)

しかしながら、上述のようにシール材を含浸成型する場合、成型時、型からの圧縮応力によってガス拡散層や触媒層が電解質膜に食い込むことにより、アノードとカソード間で短絡が発生したり、電解質膜が破損する可能性がある。   However, when the sealing material is impregnated and molded as described above, a short circuit may occur between the anode and the cathode due to the gas diffusion layer or the catalyst layer biting into the electrolyte membrane due to compressive stress from the mold during molding, or the electrolyte membrane May be damaged.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、製造時にアノードとカソード間の短絡及び電解質膜の破損が発生することを防止可能な膜電極接合体及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly capable of preventing occurrence of a short circuit between an anode and a cathode and breakage of an electrolyte membrane during production, and production thereof. It is to provide a method.

上述の課題を解決するために、本発明に係る膜電極接合体は、イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の外形寸法よりも小さな外形寸法を有し、電解質膜の両面に接触する一対の触媒層と、電解質膜及び触媒層の端部に形成された一対の接着層と、一対の接着層の接着層同士が対向する面と反対側の面のそれぞれに接合された電気絶縁性を有する一対のスペーサー層と、触媒層及びスペーサー層の表面上に設けられたガス拡散層と、ガス拡散層の外周部に封止材料を含浸させることにより形成された含浸部とを有し、電解質膜は、ガス拡散層と含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に配置され、接着層は、電解質膜の表側と裏側の面のそれぞれに形成され、かつスペーサ層とガス拡散層との接合界面であって面内方向と垂直な接合界面よりも面内方向外側に配置され、スペーサー層は、ガス拡散層と含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に延伸し、電解質膜の面内方向外側の端部と、接着層の面内方向内側の端部と、スペーサ層の面内方向内側の端部と、ガス拡散層の面内方向外側の端部は、面内方向に対して垂直方向において重なるよう配置されている。 In order to solve the above-described problems, a membrane electrode assembly according to the present invention includes an electrolyte membrane having ionic conductivity and a pair of outer dimensions smaller than the outer dimensions of the electrolyte membrane and contacting both surfaces of the electrolyte membrane. And a pair of adhesive layers formed at the ends of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and an electrically insulating property bonded to each of the opposite surfaces of the pair of adhesive layers. An electrolyte having a pair of spacer layers, a gas diffusion layer provided on the surfaces of the catalyst layer and the spacer layer, and an impregnation portion formed by impregnating a sealing material in an outer peripheral portion of the gas diffusion layer The membrane is disposed on the inner side in the in-plane direction than the bonding interface position between the gas diffusion layer and the impregnated portion, the adhesive layer is formed on each of the front and back surfaces of the electrolyte membrane, and the spacer layer and the gas diffusion layer Bonding interface and perpendicular to the in-plane direction Disposed in-plane direction outward from the surface, the spacer layer extend in plane inward of the junction interface position between the impregnation unit and the gas diffusion layer, the plane direction outer end portion of the electrolyte membrane, an adhesive layer and the end-plane direction inside of an end portion of the in-plane direction inside the spacer layer, and the ends of the plane outward of the gas diffusion layer, for in-plane direction so as to overlap Oite vertically Has been placed .

上述の課題を解決するために、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、イオン伝導性を有する電解質膜の両面に電解質膜の外形寸法よりも小さな外形寸法を有する一対の触媒層を接触させる工程と、電解質膜及び触媒層の端部に一対の接着層を形成する工程と、一対の接着層の接着層同士が対向する面と反対側の面のそれぞれに接合された電気絶縁性を有する一対のスペーサー層を形成する工程と、触媒層及びスペーサー層の表面上にガス拡散層を形成する工程と、ガス拡散層の外周部に封止材料を含浸させることにより含浸部を形成する工程とを有し、電解質膜を、ガス拡散層と前記含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に形成し、接着層を、電解質膜の表側と裏側の面のそれぞれに形成し、かつスペーサ層とガス拡散層との接合界面であって面内方向と垂直な接合界面よりも面内方向外側に形成し、スペーサー層を、ガス拡散層と含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に延伸して形成し、電解質膜の面内方向外側の端部と、接着層の面内方向内側の端部と、スペーサ層の面内方向内側の端部と、ガス拡散層の面内方向外側の端部とを、面内方向に対して垂直方向において重なるように形成する。 In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a membrane electrode assembly according to the present invention contacts a pair of catalyst layers having an outer dimension smaller than the outer dimension of the electrolyte membrane on both surfaces of the electrolyte membrane having ion conductivity. Electrical insulating properties bonded to each of the surface opposite to the surface where the adhesive layers of the pair of adhesive layers face each other, the step of forming a pair of adhesive layers on the ends of the electrolyte membrane and the catalyst layer A step of forming a pair of spacer layers, a step of forming a gas diffusion layer on the surfaces of the catalyst layer and the spacer layer, and a step of forming an impregnation portion by impregnating the outer peripheral portion of the gas diffusion layer with a sealing material An electrolyte membrane is formed on the inner side in the in-plane direction from the bonding interface position between the gas diffusion layer and the impregnated portion, and an adhesive layer is formed on each of the front and back surfaces of the electrolyte membrane, and Joining of spacer layer and gas diffusion layer Formed in the in-plane direction outside the bonding interface perpendicular to the in-plane direction, and the spacer layer is formed by extending inward in the in-plane direction from the bonding interface position between the gas diffusion layer and the impregnation part, An end in the in-plane direction of the electrolyte membrane, an end in the in-plane direction of the adhesive layer, an end in the in-plane direction of the spacer layer , and an end in the in-plane direction of the gas diffusion layer , for the in-plane direction form formed so as to overlap in the vertical direction.

本発明に係る膜電極接合体及びその製造方法によれば、スペーサー層がガス拡散層と含浸部の界面位置よりも面内方向内側に延伸しており、これにより、成型時、ガス拡散層や触媒層に掛かる圧縮応力を緩和することができるので、型からの圧縮応力によってガス拡散層や触媒層が電解質膜に食い込むことを防止し、アノードとカソード間の短絡や電解質膜の破損が発生することを防止できる。   According to the membrane electrode assembly and the method for producing the same according to the present invention, the spacer layer extends inward in the in-plane direction from the interface position between the gas diffusion layer and the impregnation portion. Since the compressive stress applied to the catalyst layer can be relaxed, the gas diffusion layer and catalyst layer are prevented from biting into the electrolyte membrane due to the compressive stress from the mold, and a short circuit between the anode and the cathode and damage to the electrolyte membrane occur. Can be prevented.

本発明に係る膜電極接合体は、例えば図1に示すような複数の燃料電池2が積層された燃料電池スタック1に適用することができる。以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池スタック1の構成について説明する。   The membrane electrode assembly according to the present invention can be applied to, for example, a fuel cell stack 1 in which a plurality of fuel cells 2 are stacked as shown in FIG. Hereinafter, the configuration of a fuel cell stack 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔燃料電池スタックの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池スタック1は、図1,2に示すように、複数の燃料電池2をエンドプレート4により挟持した構成を有し、各燃料電池2にはエンドプレート4を介して発電の際に利用される反応ガス(水素ガス,空気)と冷却水が供給される。また、燃料電池2間には図2に示すようにセパレータ3が設けられており、セパレータ3には図3,4に示すようにマニホールド開口部5から供給された反応ガスを燃料電池2、より具体的には燃料電池2のアノード及びカソードに供給するためのガス流路溝6が形成されている。そして、このような構成を有する燃料電池スタック1では、ガス流路溝6から各燃料電池2のアノード及びカソードにそれぞれ水素ガス及び空気が供給されるのに応じて、各燃料電池2が発電を行い、各燃料電池2の発電電力はエンドプレート4を介して系外に取り出される。なお、上記セパレータ3としては、緻密カーボングラファイト,炭素板等のカーボン製のものや、ステンレス等の金属製のもの等、本願発明の出願時点で公知のものであれば制限なく用いることができる。また、セパレータ3の厚さや大きさ、ガス流路溝6の形状等については、特に限定されることはなく、燃料電池2の出力特性等を考慮して適宜決定するとよい。
[Configuration of fuel cell stack]
A fuel cell stack 1 according to an embodiment of the present invention has a configuration in which a plurality of fuel cells 2 are sandwiched by end plates 4 as shown in FIGS. Then, reaction gas (hydrogen gas, air) and cooling water used for power generation are supplied. Further, a separator 3 is provided between the fuel cells 2 as shown in FIG. 2, and the reaction gas supplied from the manifold opening 5 is supplied to the separator 3 from the fuel cell 2 as shown in FIGS. Specifically, a gas flow channel 6 for supplying to the anode and cathode of the fuel cell 2 is formed. In the fuel cell stack 1 having such a configuration, each fuel cell 2 generates power in response to hydrogen gas and air being supplied from the gas flow channel groove 6 to the anode and cathode of each fuel cell 2, respectively. The generated power of each fuel cell 2 is taken out of the system through the end plate 4. The separator 3 can be used without limitation as long as it is known at the time of filing of the present invention, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. Further, the thickness and size of the separator 3 and the shape of the gas flow channel groove 6 are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the fuel cell 2 and the like.

〔燃料電池の構成〕
上記燃料電池2は、アノード及びカソードとして機能する一対の触媒層によって電解質膜を挟持することにより構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:以下、MEAと略記)をさらにガス拡散層によって挟持した構成を有する。より具体的には、この燃料電池2は、図5に示すように、イオン伝導性を有する電解質膜11と、電解質膜11の外形寸法よりも小さな外形寸法を有し、電解質膜11の両面に接触するアノード側及びカソード側の触媒層12と、電解質膜11及び触媒層12の端部に形成された接着層13と、接着層13の両面に接合された電気絶縁性を有する一対のスペーサー層14と、触媒層12及びスペーサー層14の表面上に設けられたガス拡散層15と、ガス拡散層15の外周部に封止材料を含浸させることにより形成された含浸部16とを有する。
[Configuration of fuel cell]
The fuel cell 2 further includes a membrane electrode assembly (hereinafter abbreviated as MEA) sandwiched between a pair of catalyst layers functioning as an anode and a cathode and sandwiched between gas diffusion layers. It has a configuration. More specifically, as shown in FIG. 5, the fuel cell 2 has an electrolyte membrane 11 having ion conductivity and an outer dimension smaller than the outer dimension of the electrolyte membrane 11, and is formed on both surfaces of the electrolyte membrane 11. The anode-side and cathode-side catalyst layers 12 that are in contact with each other, the adhesive layer 13 formed at the ends of the electrolyte membrane 11 and the catalyst layer 12, and a pair of spacer layers having electrical insulation bonded to both surfaces of the adhesive layer 13 14, a gas diffusion layer 15 provided on the surfaces of the catalyst layer 12 and the spacer layer 14, and an impregnation portion 16 formed by impregnating the outer peripheral portion of the gas diffusion layer 15 with a sealing material.

また、この燃料電池2では、補強層として機能する上記スペーサー層14はガス拡散層15と含浸部16の界面位置よりも面内方向内側に延伸している。従来の燃料電池では、補強層はガス拡散層15と含浸部16の界面位置よりも面内方向外側に位置していたために、成型時、型からの圧縮応力が加わることによってガス拡散層15や触媒層12が電解質膜11に食い込み、アノードとカソード間の短絡や電解質膜11の破損が発生することがあった。   In the fuel cell 2, the spacer layer 14 functioning as a reinforcing layer extends inward in the plane from the interface position between the gas diffusion layer 15 and the impregnation portion 16. In the conventional fuel cell, the reinforcing layer is located outside the interface position between the gas diffusion layer 15 and the impregnation portion 16 in the in-plane direction. The catalyst layer 12 may bite into the electrolyte membrane 11 and a short circuit between the anode and the cathode or damage to the electrolyte membrane 11 may occur.

これに対して、本発明の実施形態となる燃料電池2では、上述の通り、スペーサー層14がガス拡散層15と含浸部16の界面位置よりも面内方向内側に延伸しており、これにより、成型時、ガス拡散層15や触媒層12に掛かる圧縮応力をスペーサー層14によって吸収,緩和することができるので、型からの圧縮応力によってガス拡散層15や触媒層12が電解質膜11に食い込むことを防止し、アノードとカソード間の短絡や電解質膜11の破損が発生することを防止できる。   On the other hand, in the fuel cell 2 according to the embodiment of the present invention, as described above, the spacer layer 14 extends inward in the in-plane direction from the interface position between the gas diffusion layer 15 and the impregnation portion 16. Since the compressive stress applied to the gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 12 can be absorbed and relaxed by the spacer layer 14 during molding, the gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 12 bite into the electrolyte membrane 11 by the compressive stress from the mold. This can prevent the occurrence of a short circuit between the anode and the cathode and the breakage of the electrolyte membrane 11.

なお、図5に示す燃料電池2の構成において、図6に示すように、含浸部16の表面上に含浸部16に含浸した封止材料から成るシール部17を突出成型してもよい。このような構成によれば、よりシール性が高くなる共に、燃料電池2と向かい合うセパレータ3側にシール部を形成する必要がなくなるので、燃料電池スタック1の製造工程を容易にすることができる。   In the configuration of the fuel cell 2 shown in FIG. 5, as shown in FIG. 6, a seal portion 17 made of a sealing material impregnated in the impregnation portion 16 may be protruded from the surface of the impregnation portion 16. According to such a configuration, the sealing performance is further improved, and it is not necessary to form a seal portion on the side of the separator 3 facing the fuel cell 2, so that the manufacturing process of the fuel cell stack 1 can be facilitated.

また、図5,図6に示す燃料電池2の構成において、図7に示すように、一対のスペーサー層14のうち、一方のスペーサー層14の面内方向長さを他方のスペーサー層14の面内方向長さより短くしてもよい。このような構成によれば、成型時、電解質膜11に掛かる圧縮応力を分散することができるので、燃料電池2の耐久性を大幅に向上させることができる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIGS. 5 and 6, as shown in FIG. 7, the length in the in-plane direction of one spacer layer 14 of the pair of spacer layers 14 is the surface of the other spacer layer 14. It may be shorter than the inward length. According to such a configuration, since the compressive stress applied to the electrolyte membrane 11 can be dispersed during molding, the durability of the fuel cell 2 can be greatly improved.

また、図5乃至図7に示す燃料電池2の構成において、図8に示すように、接着層13をスペーサー層14よりも面内方向内側に延伸させてもよい。このような構成によれば、スペーサー層14の端部が直接電解質膜11に接触しなくなるので、成型時に電解質膜11に掛かる圧縮応力をより確実に緩和し、燃料電池2の耐久性を大幅に向上させることができる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIGS. 5 to 7, the adhesive layer 13 may be extended inward in the in-plane direction from the spacer layer 14 as shown in FIG. 8. According to such a configuration, since the end portion of the spacer layer 14 does not directly contact the electrolyte membrane 11, the compressive stress applied to the electrolyte membrane 11 at the time of molding is more reliably reduced, and the durability of the fuel cell 2 is greatly increased. Can be improved.

また、図5乃至図8に示す燃料電池2の構成において、図9に示すように、電解質膜11の端部にもスペーサー層14を設けてもよい。一般に、含浸部16やシール部17にはシールのための圧縮応力が掛かるが、電解質膜11の端部にもスペーサー層14を設ける、換言すれば、接着層13や電解質膜11等の圧縮クリープや圧縮歪が発生しやすい部材を圧縮クリープや圧縮歪が発生しにくい部材にすることにより、圧縮クリープや圧縮歪の程度を抑制し、シール性を長時間維持することが可能になる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIGS. 5 to 8, as shown in FIG. 9, a spacer layer 14 may be provided at the end of the electrolyte membrane 11. Generally, compressive stress for sealing is applied to the impregnated portion 16 and the seal portion 17, but a spacer layer 14 is also provided at the end of the electrolyte membrane 11, in other words, compression creep of the adhesive layer 13, the electrolyte membrane 11, etc. Further, by making a member that easily generates compressive strain into a member that does not easily generate compressive creep or compressive strain, the degree of compressive creep or compressive strain can be suppressed, and the sealing performance can be maintained for a long time.

また、図5乃至図9に示す燃料電池2の構成において、図10に示すように、接着層13,スペーサー層14,及び含浸部16を平面垂直方向に貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔を介してシール部17を一体成形してもよい。このような構成によれば、より簡易なプロセスにより含浸部16及びシール部17を成形することができる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIGS. 5 to 9, as shown in FIG. The seal portion 17 may be integrally formed through the hole. According to such a structure, the impregnation part 16 and the seal | sticker part 17 can be shape | molded by a simpler process.

また、図5乃至図9に示す燃料電池2の構成において、図11に示すように、シール部17が接着層13,スペーサー層14,及び含浸部16の端部を封止するようにしてもよい。このような構成によれば、シール部17の厚みが大きくなり、シール部17全体の厚さに対するつぶし代の割合を小さくすることができるので、圧縮歪を抑制し、シール性を長時間維持することができる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIGS. 5 to 9, as shown in FIG. 11, the seal portion 17 may seal the end portions of the adhesive layer 13, the spacer layer 14, and the impregnation portion 16. Good. According to such a configuration, the thickness of the seal portion 17 is increased, and the ratio of the crushing allowance with respect to the entire thickness of the seal portion 17 can be reduced, so that the compressive strain is suppressed and the sealing performance is maintained for a long time. be able to.

また、図11に示す燃料電池2の構成において、図12に示すように、シール部17にガス拡散層15へのガス導入口又はガス排出口と連通するマニホールド開口部18を形成し、スペーサー層14の少なくとも一方をシール部17の内部を面内方向に貫通させ、シール部17をスペーサー層14に形成された貫通孔を介して一体成形するようにしてもよい。このような構成によれば、燃料電池2としての形状安定性やハンドリング性を向上させることができる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIG. 11, as shown in FIG. 12, the seal portion 17 is formed with a manifold opening 18 that communicates with a gas inlet or a gas outlet to the gas diffusion layer 15 to form a spacer layer. At least one of 14 may be passed through the inside of the seal portion 17 in the in-plane direction, and the seal portion 17 may be integrally formed through a through hole formed in the spacer layer 14. According to such a structure, the shape stability and handling property as the fuel cell 2 can be improved.

また、図5乃至図9に示す燃料電池2の構成において、図13に示すように、接着層13,スペーサー層14,及び含浸部16にガス拡散層15へのガス導入口又はガス排出口と連通するマニホールド開口部19を形成し、マニホールド開口部19に対し面内内側方向及び面内外側方向の含浸部16表面上にシール部17を形成してもよい。このような構成によれば、マニホールド開口部19近傍の形状を安定化させると共に、燃料電池2としての形状安定性やハンドリング性を向上させることができる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIGS. 5 to 9, as shown in FIG. 13, as shown in FIG. A communicating manifold opening 19 may be formed, and the seal portion 17 may be formed on the surface of the impregnation portion 16 in the in-plane inner direction and the in-plane outer direction with respect to the manifold opening 19. According to such a configuration, the shape in the vicinity of the manifold opening 19 can be stabilized, and the shape stability and handling properties of the fuel cell 2 can be improved.

また、図11に示す燃料電池2の構成において、図14に示すように、シール部17にガス拡散層15へのガス導入口又はガス排出口と連通するマニホールド開口部20を形成し、含浸部16の少なくとも一方をシール部17の内部を面内方向に貫通させてもよい。このような構成によれば、燃料電池2としての形状安定性やハンドリング性を向上させることができる。   Further, in the configuration of the fuel cell 2 shown in FIG. 11, as shown in FIG. 14, a manifold opening 20 that communicates with the gas introduction port or the gas discharge port to the gas diffusion layer 15 is formed in the seal portion 17, and the impregnation portion is formed. At least one of 16 may pass through the inside of the seal portion 17 in the in-plane direction. According to such a structure, the shape stability and handling property as the fuel cell 2 can be improved.

なお、図10に示す燃料電池2は、図15,16に示すように、燃料電池2を型31に載置した後に貫通孔に封止材料を流し込むことによって製造することができる。またこの場合、含浸部16の面内方向長さを制御するために、図17に示すように、型31に凸部32を形成し、凸部32より面内方向内側には封止材料が含浸しないようにすることが望ましい。但し、凸部32の位置はスペーサー層14の面内方向内側端面よりも面内方向外側に位置するようにする。これにより、成型時、型からの圧縮応力によってガス拡散層15や触媒層12が電解質膜11に食い込むことにより、アノードとカソード間で短絡が発生したり、電解質膜11が破損することを防止できる。   The fuel cell 2 shown in FIG. 10 can be manufactured by pouring a sealing material into the through hole after the fuel cell 2 is placed on the mold 31 as shown in FIGS. Further, in this case, in order to control the length in the in-plane direction of the impregnated portion 16, a convex portion 32 is formed on the mold 31 as shown in FIG. It is desirable not to impregnate. However, the position of the convex portion 32 is positioned on the outer side in the in-plane direction than the inner end surface in the in-plane direction of the spacer layer 14. Thereby, at the time of molding, it is possible to prevent the gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 12 from biting into the electrolyte membrane 11 due to the compressive stress from the mold, thereby preventing a short circuit between the anode and the cathode and damage to the electrolyte membrane 11. .

また、カソード側の触媒層12に用いられる触媒成分としては、酸素の還元反応に対し触媒作用を有するものであれば特に制限されることはなく、公知の触媒成分を利用することができる。また、アノード側の触媒層12に用いられる触媒成分についてもまた、水素の酸化反応に対し触媒作用を有するものであれば特に制限されることはなく、公知の触媒成分を利用することができる。   The catalyst component used for the catalyst layer 12 on the cathode side is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst component can be used. Further, the catalyst component used for the catalyst layer 12 on the anode side is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst component can be used.

より具体的には、上記触媒成分としては、白金(Pt),ルテニウム(Ru),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh),パラジウム(Pd),オスミウム(Os),タングステン(W)、鉛(Pd),鉄(Fe),クロム(Cr),コバルト(Co),ニッケル(Ni),マンガン(Mn),バナジウム(V),モリブデン(Mo),ガリウム(Ga),アルミニウム(Al)等の金属やこれら金属の合金を例示することができる。   More specifically, the catalyst component includes platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), tungsten (W), lead (Pd ), Iron (Fe), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium (Ga), aluminum (Al), etc. These metal alloys can be exemplified.

また、上記触媒成分としては、触媒活性,一酸化炭素等に対する耐被毒性,耐熱性等を向上させるために少なくとも白金を含むものを用いることが望ましい。また、上記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするとよい。また、カソード側の触媒層12の触媒成分として合金を使用する場合には、合金の組成は、合金化する金属の種類等によって異なり、当業者が適宜選択することができるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。   Further, as the catalyst component, it is desirable to use a catalyst component containing at least platinum in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide, etc., heat resistance and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, although it depends on the type of metal to be alloyed. Further, when an alloy is used as the catalyst component of the catalyst layer 12 on the cathode side, the composition of the alloy varies depending on the type of metal to be alloyed and the like and can be appropriately selected by those skilled in the art. It is preferable that 90 atomic% and other metals to be alloyed be 10 to 70 atomic%.

なお、「合金」とは、1種以上の金属元素又は非金属元素を金属元素に加えることにより形成されるものであり、金属的性質を有するものの総称である。また、合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているもの等があるが、本実施形態ではそのいずれであってもよい。またこの際、触媒層12に用いる触媒成分は上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード側及びアノード側の触媒層12用の触媒成分についての説明は両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード側及びアノード側の触媒層12用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように適宜選択することができる。   The “alloy” is formed by adding one or more metal elements or non-metal elements to the metal element, and is a generic name for those having metallic properties. In addition, the structure of the alloy includes eutectic alloys, which are so-called mixtures in which the component elements become separate crystals, those in which the component elements are completely melted into a solid solution, and the component elements are intermetallic compounds or metals and nonmetals. Some of them form a compound, and any of them may be used in the present embodiment. At this time, the catalyst component used for the catalyst layer 12 can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the catalyst layer 12 on the cathode side and the anode side has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the catalyst layer 12 on the cathode side and the anode side do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されることはなく、公知の触媒成分と同様の形状及び大きさを使用することができるが、触媒成分は粒状であることが好ましい。またこの際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するために酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると酸素還元活性が低下する現象が見られる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle size of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, and thus the higher the oxygen reduction activity. However, the average particle size is actually small. If the amount is too high, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed.

従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は1〜30[nm]程度、より好ましくは1.5〜20[nm]程度、さらに好ましくは2〜10[nm]程度、特に好ましくは2〜5[nm]程度の粒状であることが好ましい。また、担持の容易さという観点から1[nm]以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30[nm]以下であることが好ましい。なお、触媒粒子の平均粒径は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶粒子径、又は透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値によって測定することができる。   Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is about 1 to 30 [nm], more preferably about 1.5 to 20 [nm], still more preferably about 2 to 10 [nm], and particularly preferably 2 It is preferable that the particle size is about ˜5 [nm]. Moreover, it is preferable that it is 1 [nm] or more from a viewpoint of the carrying | support ease, and it is preferable that it is 30 [nm] or less from a viewpoint of a catalyst utilization factor. The average particle diameter of the catalyst particles is measured by the crystal particle diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. Can do.

また、上記触媒粒子は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。なお、導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるものが好ましい。より具体的には、導電性担体としては、カーボンブラック,活性炭,コークス,天然黒鉛,人造黒鉛等からなるカーボン粒子を好適な一例として例示することができる。   The catalyst particles are included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier. Note that the conductive carrier is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. Are preferred. More specifically, as a conductive carrier, carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like can be exemplified as a suitable example.

なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことを意味し、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなるの双方を含む概念である。また、場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、導電性担体に炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   “The main component is carbon” means that the main component includes carbon atoms, and is a concept including both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, in order to improve the characteristics of the fuel cell, the conductive support may contain elements other than carbon atoms. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

また、上記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600[m/g]程度、より好ましくは80〜1200[m/g]程度とするとよい。比表面積が20[m/g]未満であると導電性担体への触媒成分及び高分子電解質の分散性が低下し、十分な発電性能が得られない恐れがあり、逆に比表面積が1600[m/g]を超えると触媒成分及び高分子電解質の有効利用率がかえって低下する恐れがある。 Further, the BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably about 20 to 1600 [m 2 / g], more preferably 80 to 1200. It may be set to about [m 2 / g]. If the specific surface area is less than 20 [m 2 / g], the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte on the conductive support may be lowered, and sufficient power generation performance may not be obtained. If it exceeds [m 2 / g], the effective utilization rate of the catalyst component and the polymer electrolyte may be lowered.

また、上記導電性担体の大きさは、特に限定されることはないが、担持の容易さ,触媒利用率,触媒層12の厚みを適切な範囲で制御する等の観点から、平均粒子径が5〜200[nm]程度、好ましくは10〜100[nm]程度とすることが望ましい。また、導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒においては、触媒成分の担持量は電極触媒の全量に対して好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。   Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but the average particle size is not limited from the viewpoints of easy loading, catalyst utilization, and control of the thickness of the catalyst layer 12 within an appropriate range. It is desirable that the thickness be about 5 to 200 [nm], preferably about 10 to 100 [nm]. Further, in the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good.

触媒成分の担持量が80質量%を超えると、触媒成分の導電性担体上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく、経済的利点が低下する恐れがある。また、逆に担持量が10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。なお、触媒成分の担持量は誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   If the supported amount of the catalyst component exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support decreases, and although the supported amount increases, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be reduced. On the other hand, if the supported amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass is lowered, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

また、触媒層12には、電極触媒の他に高分子電解質が含まれる。高分子電解質としては、特に限定されることはなく公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であることが望ましい。また、使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The catalyst layer 12 includes a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited and a known one can be used. However, it is desirable that the polymer electrolyte be a member having at least high proton conductivity. The polymer electrolytes that can be used are broadly classified into fluorine-based electrolytes containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton and hydrocarbon-based electrolytes not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

上記フッ素系電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製),アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製),フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーや、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等を好適な一例として例示することができる。   Examples of the fluorine-based electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Trifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- A perfluorocarbon sulfonic acid polymer or the like can be exemplified as a suitable example.

また、上記炭化水素系電解質としては、ポリスルホンスルホン酸,ポリアリールエーテルケトンスルホン酸,ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸,ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸,ポリスチレンスルホン酸,ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸,ポリフェニルスルホン酸等を好適な一例として例示することができる。   The hydrocarbon electrolytes include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl sulfonic acid. Etc. can be illustrated as a suitable example.

また、上記高分子電解質は、耐熱性及び化学的安定性等に優れることから、フッ素原子を含むものが好ましく、中でも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製),アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製),フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のフッ素系電解質を好適な一例として例示することができる。   The polymer electrolyte preferably includes a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei Corporation) Fluorine-based electrolyte such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) can be exemplified as a suitable example.

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができ、例えば、含浸法,液相還元担持法,蒸発乾固法,コロイド吸着法,噴霧熱分解法,逆ミセル(マイクロエマルジョン法)等の公知の方法が使用できる。なお、電極触媒は市販品を用いてもよい。   In addition, the catalyst component can be supported on the conductive support by a known method. For example, impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (micro cell) A known method such as an emulsion method can be used. A commercially available electrode catalyst may be used.

また、触媒層12は、上記したような電極触媒,高分子電解質,及び溶剤からなる触媒インクを電解質膜11表面(又はスペーサー層14を部分的に被覆するような状態で電解質膜11表面)に塗布することによって形成される。この際、溶剤の種類は、特に制限されることはなく、触媒層12を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、溶剤としては、水や、シクロヘキサノール,エタノール,2−プロパノール等の低級アルコールを使用することができる。   Further, the catalyst layer 12 is formed on the surface of the electrolyte membrane 11 (or the surface of the electrolyte membrane 11 in a state of partially covering the spacer layer 14) with the catalyst ink composed of the electrode catalyst, the polymer electrolyte, and the solvent as described above. It is formed by coating. At this time, the kind of the solvent is not particularly limited, and a normal solvent used for forming the catalyst layer 12 can be used in the same manner. Specifically, water or lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used as the solvent.

また、溶剤の使用量もまた、特に制限されることはなく、公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒が所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)に対する触媒作用を十分発揮できる量であればいずれの量で使用されてもよい。より具体的には、電極触媒が触媒インク中に5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。   Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. However, in the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen. Any amount may be used as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action for the reduction reaction (cathode side). More specifically, the electrode catalyst is preferably present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.

また、触媒インクは増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合等に有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されることなく公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン,エチレングリコール(EG),ポリビニルアルコール(PVA),プロピレングリコール(PG)等を好適な一例として例示することができる。増粘剤を使用する際の増粘剤の添加量は上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されることはないが、触媒インクの全質量に対し5〜20質量%であることが望ましい。   Further, the catalyst ink may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and known thickeners can be used. For example, glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), propylene glycol (PG) and the like are preferable. It can be illustrated as an example. The amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect, but is 5 to 20% by mass with respect to the total mass of the catalyst ink. Is desirable.

また、触媒インクは、電極触媒,電解質及び溶剤,並びに必要であれば撥水性高分子及び/又は増粘剤が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されることはない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌し、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって触媒インクを調製することができる。また、電解質を溶剤中に一旦分散/懸濁させた後、分散/懸濁液を電極触媒と混合することにより、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のナフィオン溶液:1−プロパノール中に5[wt%]の濃度でナフィオンが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The preparation method of the catalyst ink is not particularly limited as long as the electrode catalyst, the electrolyte and the solvent, and if necessary, the water-repellent polymer and / or the thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixture, dissolving the electrolyte in a polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, the catalyst ink may be prepared by once dispersing / suspending the electrolyte in a solvent and then mixing the dispersion / suspension with the electrode catalyst. In addition, a commercially available electrolyte solution in which the electrolyte is previously prepared in the other solvent (for example, Nafion solution manufactured by DuPont: Nafion dispersed / suspended in 1-propanol at a concentration of 5 wt%) May be used in the above method as is.

このようにして調製された触媒インクを電解質膜11上又はスペーサー14層の一部を被覆しながら電解質膜11上に塗布することにより触媒層12が形成される。この際、電解質膜11上への触媒層12の形成条件は、特に限定されることはなく、公知の方法を同様にして又は適宜修飾を加えて使用することができる。例えば、触媒インクを電解質膜11上に、乾燥後の厚みが5〜20[μm]程度になるように塗布し、真空乾燥機内又は減圧下で25〜150[℃]程度、より好ましくは60〜120[℃]程度で5〜30分間、より好ましくは10〜20分間乾燥する。なお、上記工程において、触媒層12の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで上記塗布・乾燥工程を繰り返す。   The catalyst ink 12 thus formed is formed by applying the catalyst ink thus prepared on the electrolyte membrane 11 while covering a part of the spacer 14 layer. At this time, the conditions for forming the catalyst layer 12 on the electrolyte membrane 11 are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or with appropriate modifications. For example, the catalyst ink is applied on the electrolyte membrane 11 so that the thickness after drying is about 5 to 20 [μm], and is about 25 to 150 [° C.] in a vacuum dryer or under reduced pressure, more preferably 60 to Dry at about 120 [° C.] for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of the catalyst layer 12 is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.

また、上記スペーサー層14は、気体、特に酸素や水素ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、電解質膜11や触媒層12の端部との接着を目的とする接着層13及びガス不透過材料からなる不透過層から構成される。この際、不透過層を構成する材料は、膜にした際に酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されることはない。具体的には、不透過層を構成する材料としては、ポリエチレンナフタレート(PEN),ポリエチレンテレフタレート(PET),ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を好適な一例として例示することができる。   The spacer layer 14 may be impermeable to gas, particularly oxygen or hydrogen gas. In general, the spacer layer 14 is an adhesive layer intended to adhere to the end portions of the electrolyte membrane 11 and the catalyst layer 12. 13 and an impermeable layer made of a gas impermeable material. In this case, the material constituting the impermeable layer is not particularly limited as long as it is impermeable to oxygen or hydrogen gas when formed into a film. Specifically, as a material constituting the impermeable layer, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), (polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like are illustrated as preferable examples. can do.

また、接着層13に使用できる材料もまた電解質膜11や触媒層12と、スペーサー層14とを密接に接着できるものであれば特に制限されることはないが、ポリオレフィン,ポリプロピレン,熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、フェノール系やエポキシ系の熱硬化型接着剤、又はアクリル系接着剤,ポリエステル,ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤等を使用することができる。   The material that can be used for the adhesive layer 13 is not particularly limited as long as the electrolyte membrane 11 or the catalyst layer 12 and the spacer layer 14 can be closely adhered to each other, but polyolefin, polypropylene, thermoplastic elastomer, etc. Hot-melt adhesives, phenolic and epoxy thermosetting adhesives, acrylic adhesives, olefinic adhesives such as polyester and polyolefin, and the like can be used.

また、上記スペーサー層14の形成方法は、特に制限されることはなく、公知の方法が使用できる。例えば、電解質膜11上又は触媒層12の端部を被覆しながら電解質膜11上に接着剤を5〜30[μm]程度の厚みになるように塗布した後、ガス不透過材料を10〜200[μm]程度の厚みになるように塗布し、これを25〜150[℃]程度で10秒〜10分間加熱することによって硬化させる方法を使用することができる。また、ガス不透過材料を予めシート状に成形した後に、不透過膜に接着剤を塗布してスペーサー層14を形成した後、これを電解質膜11上又はスペーサー層14の一部を被覆しながら電解質膜11上に貼り合わせてもよい。この際、不透過層の厚みは、特に制限されることはないが、15〜40[μm]程度が好ましく、また接着層13の厚みもまた特に制限されることはないが10〜25[μm]程度が好ましい。   Moreover, the formation method of the said spacer layer 14 is not restrict | limited in particular, A well-known method can be used. For example, after applying an adhesive on the electrolyte membrane 11 so as to have a thickness of about 5 to 30 [μm] while covering the end portion of the electrolyte membrane 11 or the catalyst layer 12, the gas-impermeable material is added to 10 to 200. A method of applying a thickness of about [μm] and curing it by heating at a temperature of about 25 to 150 [° C.] for 10 seconds to 10 minutes can be used. Further, after the gas-impermeable material is formed into a sheet shape in advance, an adhesive is applied to the impermeable film to form the spacer layer 14, and then this is applied to the electrolyte membrane 11 or while covering a part of the spacer layer 14. You may affix on the electrolyte membrane 11. FIG. At this time, the thickness of the impermeable layer is not particularly limited, but is preferably about 15 to 40 [μm], and the thickness of the adhesive layer 13 is also not particularly limited, but is 10 to 25 [μm]. ] Degree is preferable.

また、上記電解質膜11としては、特に制限されることはなく、触媒層12に用いたものと同様の電解質からなる膜を例示することができる。また、デュポン社製の各種のナフィオン(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜,トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜等のフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜等、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜等を用いてもよい。また、電解質膜11に用いられる高分子電解質と触媒層12に用いられる高分子電解質とは同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層12と電解質膜11との密着性を向上させる観点から同じものを用いることが好ましい。   Further, the electrolyte membrane 11 is not particularly limited, and a membrane made of the same electrolyte as that used for the catalyst layer 12 can be exemplified. In addition, various types of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Company, and ethylene-4 Fluoropolymer electrolytes such as fluoroethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbon resin membranes with sulfonic acid groups, etc. A molecular electrolyte membrane, a membrane in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the electrolyte membrane 11 and the polymer electrolyte used for the catalyst layer 12 may be the same or different, but the adhesion between each catalyst layer 12 and the electrolyte membrane 11 is improved. It is preferable to use the same from the viewpoint.

また、電解質膜11の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300[μm]程度、より好ましくは10〜200[μm]程度、特に好ましくは15〜100[μm]程度であることが望ましい。また、電解質膜11の厚みは、製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5[μm]以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300[μm]以下であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane 11 may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained MEA, but is preferably about 5 to 300 [μm], more preferably about 10 to 200 [μm], and particularly preferably. It is desirable to be about 15 to 100 [μm]. The thickness of the electrolyte membrane 11 is preferably 5 [μm] or more from the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, and is 300 [μm] or less from the viewpoint of output characteristics during MEA operation. Preferably there is.

また、電解質膜11には、フッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜のみならず、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等から形成された多孔質状の薄膜にりん酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものも含まれる。   In addition, the electrolyte membrane 11 is not only a fluoropolymer electrolyte or a hydrocarbon-based resin membrane having a sulfonic acid group, but is also made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) or the like. A thin film impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid is also included.

なお、上記では電解質膜11に直接触媒層12又はスペーサー層14を形成する方法について説明してきたが、燃料電池2は、転写法等の他の方法によって製造されてもよい。また、このような場合の製造方法は、特に制限されることはなく、公知の転写方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できるが、例えば以下のような方法を使用することができる。   Although the method for forming the catalyst layer 12 or the spacer layer 14 directly on the electrolyte membrane 11 has been described above, the fuel cell 2 may be manufactured by other methods such as a transfer method. In addition, the production method in such a case is not particularly limited, and a known transfer method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the following method can be used.

すなわち、上記で調製したような触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して触媒層12を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート,PET(ポリエチレンテレフタレート)シート,ポリエステルシート等の公知のシートを使用することができる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。   That is, the catalyst ink as prepared above is applied onto a transfer mount and dried to form the catalyst layer 12. In this case, as the transfer mount, a known sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or a polyester sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink).

また、上記工程において、触媒層12の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)に対する触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されることはなく、従来と同様の厚みを使用することができる。具体的には、触媒層12の厚みは1〜30[μm]程度、より好ましくは1〜20[μm]程度であることが望ましい。   In the above process, the thickness of the catalyst layer 12 is not particularly limited as long as the catalyst layer 12 can sufficiently exert a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Similar thicknesses can be used. Specifically, the thickness of the catalyst layer 12 is preferably about 1 to 30 [μm], more preferably about 1 to 20 [μm].

また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されることはなく、スクリーン印刷法,沈積法,又はスプレー法等の公知の方法を同様にして適用することができる。また、塗布された触媒層12の乾燥条件もまた、触媒層12から極性溶媒を完全に除去できる条件であれば特に制限されることはない。   The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be applied in the same manner. Also, the drying conditions of the applied catalyst layer 12 are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the catalyst layer 12.

具体的には、触媒インクの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて室温〜100[℃]程度、より好ましくは50〜80[℃]程度で30〜60分間乾燥する。この際、触媒層12の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に、このようにして作製された触媒層12で電解質膜11を挟持した後、当該積層体に対しホットプレスを行なう。   Specifically, the coating layer (electrode catalyst layer) of the catalyst ink is dried in a vacuum dryer at about room temperature to 100 [° C.], more preferably about 50 to 80 [° C.] for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer 12 is not sufficient, the coating / drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, after the electrolyte membrane 11 is sandwiched between the catalyst layers 12 thus produced, hot pressing is performed on the laminate.

この際、ホットプレス条件は、触媒層12及び電解質膜11が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されることはないが、100〜200[℃]程度、より好ましくは110〜170[℃]程度で電極面に対して1〜5[MPa]程度のプレス圧力で行なうことが好ましい。これにより電解質膜11と触媒層12間の接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、触媒層12と電解質膜11からなるMEAを得ることができる。   At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the catalyst layer 12 and the electrolyte membrane 11 can be sufficiently closely joined, but are about 100 to 200 [° C.], more preferably 110 to 170 [° C. It is preferable to carry out at a pressing pressure of about 1 to 5 [MPa] with respect to the electrode surface. Thereby, the bondability between the electrolyte membrane 11 and the catalyst layer 12 can be enhanced. After performing the hot press, the MEA composed of the catalyst layer 12 and the electrolyte membrane 11 can be obtained by removing the transfer mount.

なお、MEAは、後述するようにガス拡散層15を有してもよく、この際、ガス拡散層15は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層15で挟持することによって、触媒層12と電解質膜11との接合後にさらに触媒層12に接合することが好ましい。また、触媒層12を予めガス拡散層15表面上に形成して触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記方法と同様にしてこの電極触媒層−ガス拡散層接合体で高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合してもよい。   The MEA may have a gas diffusion layer 15 as will be described later. At this time, the gas diffusion layer 15 is peeled off the transfer mount in the above-described method, and the obtained bonded body is further subjected to the gas diffusion layer 15. It is preferable that the catalyst layer 12 is further bonded to the catalyst layer 12 after the catalyst layer 12 and the electrolyte membrane 11 are bonded. Further, after the catalyst layer 12 is formed on the surface of the gas diffusion layer 15 in advance to produce a catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is used as a polymer electrolyte in the same manner as described above. The film may be sandwiched and bonded by hot pressing.

またこの際、MEAに用いられるガス拡散層15としては、特に限定されることはなく、公知のものを同様にして使用することでき、例えば、炭素製の織物,紙状抄紙体,フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするもの等を例示することができる。   At this time, the gas diffusion layer 15 used in the MEA is not particularly limited, and a known material can be used in the same manner. For example, carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, non-woven fabric The thing etc. which use the sheet-like material which has such electroconductivity and porosity as a base material can be illustrated.

また、基材の厚さは、得られるガス拡散層15の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500[μm]程度とすればよい。厚さが30[μm]未満であると十分な機械的強度等が得られない恐れがあり、逆に厚さが500[μm]を超えるとガスや水等が透過する距離が長くなり望ましくない。   The thickness of the base material may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the gas diffusion layer 15 to be obtained, but may be about 30 to 500 [μm]. If the thickness is less than 30 [μm], sufficient mechanical strength or the like may not be obtained. Conversely, if the thickness exceeds 500 [μm], the distance through which gas, water, etc. permeate becomes longer, which is not desirable. .

触媒層12をガス拡散層15表面上に形成する方法は、特に制限されることはなく、スクリーン印刷法,沈積法,スプレー法等の公知の方法が同様にして適用できる。また、触媒層12のガス拡散層15表面上への形成条件は、特に制限されることはなく、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。   The method for forming the catalyst layer 12 on the surface of the gas diffusion layer 15 is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. Moreover, the formation conditions on the surface of the gas diffusion layer 15 of the catalyst layer 12 are not particularly limited, and the same conditions as in the conventional case can be applied by the specific formation method as described above.

また、ガス拡散層15には、撥水性をより高めてフラッディング現象等を防ぐことを目的として、基材に撥水剤を含ませることが好ましい。この撥水剤としては、特に限定されることはないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),ポリフッ化ビニリデン(PVDF),ポリヘキサフルオロプロピレン,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)等のフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレン等を例示することができる。   In addition, the gas diffusion layer 15 preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. The water repellent is not particularly limited, but polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include fluorine-based polymer materials, polypropylene, polyethylene and the like.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層15は、基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。カーボン粒子としては、特に限定されることはなく、カーボンブラック,黒鉛,膨張黒鉛等の一般的なものであればよい。中でも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック,チャネルブラック,ランプブラック,サーマルブラック,アセチレンブラック等のカーボンブラックを好適な一例として例示することができる。また、カーボン粒子の粒径は10〜100[nm]程度とすることが望ましい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られると共に、触媒層12との接触性も向上させることが可能となる。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer 15 may have a carbon particle layer made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the substrate. The carbon particles are not particularly limited and may be general ones such as carbon black, graphite, expanded graphite and the like. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be exemplified as a suitable example because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 [nm]. Thereby, the high drainage property by capillary force is obtained, and the contact property with the catalyst layer 12 can be improved.

また、カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。中でも、フッ素系の高分子材料は、撥水性、電極反応時の耐食性等に優れることから好ましく用いられる。また、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多すぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、逆に撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は質量比で90:10〜40:60程度とするのがよい。   Moreover, as a water repellent used for a carbon particle layer, the thing similar to the water repellent mentioned above used for a base material is mentioned. Among these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like. In addition, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer may result in insufficient water repellency as expected when there are too many carbon particles. There is a risk that sex may not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

また、カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層15の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。また、ガス拡散層15に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層15に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法等が挙げられる。   Further, the thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer 15 to be obtained. Further, when the gas diffusion layer 15 contains a water repellent, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for the gas diffusion layer 15 in the dispersion liquid of the water repellent, a method of heating and drying in an oven or the like can be used.

また、ガス拡散層15において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子,撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン,ジクロロペンタフルオロプロパン,メタノール,エタノール等のアルコール系溶媒等の溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、スラリーを基材上に塗布して乾燥又はスラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これをガス拡散層15上に塗布する方法等を用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400[℃]程度で熱処理を施すことが好ましい。   In the case where a carbon particle layer is formed on the base material in the gas diffusion layer 15, carbon particles, a water repellent, etc. are used as alcohol solvents such as water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol and ethanol. A slurry is prepared by dispersing in a solvent, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is once dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer 15. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 [degreeC] using a muffle furnace or a baking furnace.

なお、触媒層12,電解質膜11,及び好ましくはガス拡散層15を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを電解質膜11上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして触媒層12を電解質膜11と接合し、得られた接合体をガス拡散層15で挟持してMEAとする方法や、触媒インクをガス拡散層15上に塗布・乾燥させて触媒層12を形成し、これを電解質膜11とホットプレスにより接合する方法等であってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。   In addition, the manufacturing method of the joined body including the catalyst layer 12, the electrolyte membrane 11, and preferably the gas diffusion layer 15 is not limited to the method described above. That is, after applying and drying the catalyst ink on the electrolyte membrane 11, hot pressing is performed to join the catalyst layer 12 to the electrolyte membrane 11, and the obtained joined body is sandwiched between the gas diffusion layers 15 to form MEA. The catalyst ink 12 may be applied and dried on the gas diffusion layer 15 to form the catalyst layer 12, and this may be joined to the electrolyte membrane 11 by hot pressing, or may be performed using various known techniques as appropriate. .

また、本実施形態の電解質膜−電極接合体及び本実施形態の方法によって製造される電解質膜−電極接合体は、上述した通り、触媒担体として用いられるカーボン担体の腐食、及び電解質膜−電極接合体に含まれる電解質成分の劣化を抑制することが可能となる。また、スペーサー層14を設けることにより、触媒層12の面積及び配置を容易に決定することが可能となり、各触媒層12を予め正確に位置合わせしなければならない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。従って、このような電解質膜−電極接合体を用いることにより、製造工程が容易であり、耐久性にも優れる信頼性の高い高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   Further, as described above, the electrolyte membrane-electrode assembly produced by the electrolyte membrane-electrode assembly of the present embodiment and the method of the present embodiment are corroded by the carbon carrier used as the catalyst carrier, and the electrolyte membrane-electrode joint. It becomes possible to suppress deterioration of the electrolyte component contained in the body. In addition, the provision of the spacer layer 14 makes it possible to easily determine the area and arrangement of the catalyst layers 12, and it is not necessary to accurately align the catalyst layers 12 in advance. It is highly desirable considering production. Therefore, by using such an electrolyte membrane-electrode assembly, it is possible to provide a highly reliable polymer electrolyte fuel cell having a simple manufacturing process and excellent durability.

なお、上記燃料電池2の種類としては、特に限定されることはなく、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池等を例示することができる。中でも、高分子電解質型燃料電池は、小型、且つ、高密度・高出力化が可能であるから好ましい。また、燃料電池2は、搭載スペースが限定される車両等の移動体用電源の他、定置用電源等として有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The type of the fuel cell 2 is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. Examples include acid electrolyte fuel cells represented by acid fuel cells, direct methanol fuel cells, and micro fuel cells. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size and can achieve high density and high output. The fuel cell 2 is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Particularly, the fuel cell 2 is used for an automobile in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

また、高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車等の移動体用電源等として有用である。中でも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、及び運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車等の移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   In addition to a stationary power source, the polymer electrolyte fuel cell is useful as a power source for a mobile body such as an automobile in which a mounting space is limited. Above all, the power supply for mobile vehicles such as automobiles, which is likely to cause corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and to deteriorate the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as

また、ガス拡散層15の端部に含浸させる材料としては、ゴム,樹脂,カーボン,無機材料が挙げられる。また、ゴムとしては、エチレンプロピレンゴム,フッ素ゴム,シリコンゴム,フルオロシリコンゴム,ブチルゴム,水素添加スチレンブタジエンゴム,水素添加スチレンイソプレンゴム,アクリルゴム,フルオロアクリルゴム等の飽和系ゴム、又はポリエステル系エラストマー,ポリオレフィン系エラストマー,ポリアミド系エラストマー等の飽和系エラストマーが用いられる。又は、液状シリコンゴム,液状フルオロシリコンゴム,液状フッ素ゴム,液状ブチルゴム,液状エチレンプロピレンゴム等の飽和系液状ゴムが用いられる。   Examples of the material impregnated in the end portion of the gas diffusion layer 15 include rubber, resin, carbon, and inorganic materials. The rubber includes ethylene-propylene rubber, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, hydrogenated styrene butadiene rubber, hydrogenated styrene isoprene rubber, acrylic rubber, fluoroacrylic rubber and other saturated rubber, or polyester elastomer. Saturated elastomers such as polyolefin elastomers and polyamide elastomers are used. Alternatively, saturated liquid rubbers such as liquid silicon rubber, liquid fluorosilicone rubber, liquid fluororubber, liquid butyl rubber, and liquid ethylene propylene rubber are used.

また、樹脂としては、シリコン系樹脂,エポキシ樹脂,フェノール樹脂,熱硬化型ポリイミド樹脂,ジアリルフタレート樹脂等の熱硬化型樹脂、又はポリオレフィン系樹脂,ポリスルフォン系樹脂,ポリエステル系樹脂,ポリアミド系樹脂,ポリイミド系樹脂,ポリアミドイミド系樹脂,ポリカーボネ系樹脂,フッ素系樹脂,ポリエーテルイミド,ポリエーテルエーテルケトン,ポリスチレン,ポリフェニレンスルフィド,ポリフェニレンエーテル等の熱可塑性樹脂が用いられる。また、カーボンとしては、カーボンブラック,カーボン粉末,グラファイト粉末,カーボン繊維,グラファイト繊維等が用いられる。また、無機材料としては、ガラス粉末,ガラス繊維,金属酸化物系の材料が用いられる。   In addition, as a resin, a thermosetting resin such as silicon resin, epoxy resin, phenol resin, thermosetting polyimide resin, diallyl phthalate resin, or polyolefin resin, polysulfone resin, polyester resin, polyamide resin, Thermoplastic resins such as polyimide resin, polyamideimide resin, polycarbonate resin, fluorine resin, polyetherimide, polyetheretherketone, polystyrene, polyphenylene sulfide, and polyphenylene ether are used. Further, as the carbon, carbon black, carbon powder, graphite powder, carbon fiber, graphite fiber, or the like is used. As the inorganic material, glass powder, glass fiber, or metal oxide material is used.

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。   As mentioned above, although the embodiment to which the invention made by the present inventor is applied has been described, the present invention is not limited by the description and the drawings that form part of the disclosure of the present invention according to this embodiment. As described above, it is a matter of course that all other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on the above embodiments are included in the scope of the present invention.

本発明の実施形態となる燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell stack used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池スタックの分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態となるセパレータの構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the separator used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となるセパレータの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the separator used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 本発明の実施形態となる燃料電池の変形例の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of the fuel cell used as embodiment of this invention. 図5に示す燃料電池の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the fuel cell shown in FIG. 図5に示す燃料電池の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the fuel cell shown in FIG. 図16に示す燃料電池の製造方法の応用例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the application example of the manufacturing method of the fuel cell shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池スタック
2:燃料電池
3:セパレータ
4:エンドプレート
5:マニホールド
6:ガス流路溝
11:電解質膜
12:触媒層
13:接着層
14:スペーサー層
15:ガス拡散層
16:含浸部
17:シール部
1: Fuel cell stack 2: Fuel cell 3: Separator 4: End plate 5: Manifold 6: Gas passage groove 11: Electrolyte membrane 12: Catalyst layer 13: Adhesive layer 14: Spacer layer 15: Gas diffusion layer 16: Impregnation part 17: Seal part

Claims (11)

イオン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の外形寸法よりも小さな外形寸法を有し、当該電解質膜の両面に接触する一対の触媒層と、
前記電解質膜及び前記触媒層の端部に形成された一対の接着層と、
前記一対の接着層の接着層同士が対向する面と反対側の面のそれぞれに接合された電気絶縁性を有する一対のスペーサー層と、
前記触媒層及び前記スペーサー層の表面上に設けられたガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外周部に封止材料を含浸させることにより形成された含浸部とを有し、
前記電解質膜は、前記ガス拡散層と前記含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に配置され、
前記接着層は、前記電解質膜の表側と裏側の面のそれぞれに形成され、かつ前記スペーサ層と前記ガス拡散層との接合界面であって面内方向と垂直な接合界面よりも面内方向外側に配置され、
前記スペーサー層は、前記ガス拡散層と前記含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に延伸し、
前記電解質膜の面内方向外側の端部と、前記接着層の面内方向内側の端部と、前記スペーサ層の面内方向内側の端部と、前記ガス拡散層の面内方向外側の端部とは、面内方向に対して垂直方向において重なるように配置されていることを特徴とする膜電極接合体。
An electrolyte membrane having ionic conductivity;
A pair of catalyst layers having an outer dimension smaller than the outer dimension of the electrolyte membrane and contacting both surfaces of the electrolyte membrane;
A pair of adhesive layers formed at the ends of the electrolyte membrane and the catalyst layer;
A pair of spacer layers having electrical insulating properties, which are bonded to each of the opposite surface and the opposite surface of the pair of adhesive layers;
A gas diffusion layer provided on the surfaces of the catalyst layer and the spacer layer;
An impregnated part formed by impregnating a sealing material on the outer peripheral part of the gas diffusion layer,
The electrolyte membrane is disposed on the inner side in the in-plane direction than the bonding interface position between the gas diffusion layer and the impregnation portion,
The adhesive layer is formed on each of the front and back surfaces of the electrolyte membrane, and is a bonding interface between the spacer layer and the gas diffusion layer and is outside in the in-plane direction from the bonding interface perpendicular to the in-plane direction. Placed in
The spacer layer extends inward in the in-plane direction from the bonding interface position between the gas diffusion layer and the impregnation part,
An end in the in-plane direction of the electrolyte membrane, an end in the in-plane direction of the adhesive layer, an end in the in-plane direction of the spacer layer, and an end in the in-plane direction of the gas diffusion layer The part is disposed so as to overlap in the direction perpendicular to the in-plane direction.
請求項1に記載の膜電極接合体であって、
前記含浸部表面上に突出成形された前記封止材料から成るシール部を有することを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 1,
A membrane / electrode assembly comprising a seal portion made of the sealing material protruding and formed on the surface of the impregnation portion.
請求項1又は請求項2に記載の膜電極接合体であって、
前記一対のスペーサー層のうち、一方のスペーサー層の面内方向長さは他方のスペーサー層の面内方向長さより短いことを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein
Among the pair of spacer layers, the length in the in-plane direction of one spacer layer is shorter than the length in the in-plane direction of the other spacer layer.
請求項1乃至請求項3のうち、いずれか1項に記載の膜電極接合体であって、
前記電解質膜の端部に電気絶縁性を有する第2スペーサー層を有し、
前記第2スペーサー層は、前記一対のスペーサー層の間に配置されていることを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein
A second spacer layer having electrical insulation at an end of the electrolyte membrane;
The membrane electrode assembly, wherein the second spacer layer is disposed between the pair of spacer layers .
請求項に記載の膜電極接合体であって、
前記接着層、前記スペーサー層、及び前記含浸部を平面垂直方向に貫通する貫通孔を有し、前記シール部は当該貫通孔を介して一体成形されていることを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 2 , wherein
A membrane electrode assembly comprising a through-hole penetrating the adhesive layer, the spacer layer, and the impregnated portion in a plane vertical direction, wherein the seal portion is integrally formed through the through-hole .
請求項2に記載の膜電極接合体であって、
記シール部は、前記接着層、前記スペーサー層、及び前記含浸部の端部を封止していることを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 2 , wherein
Prior Symbol seal portion, the adhesive layer, the spacer layer, and the membrane electrode assembly, characterized in that sealing the end of the impregnation section.
請求項6に記載の膜電極接合体であって、
前記シール部は前ガス拡散層へのガス導入口又はガス排出口と連通するマニホールド開口部を有し、前記スペーサー層の少なくとも一方は前記シール部の内部を面内方向に貫通し、前記シール部はスペーサー層に形成された貫通孔を介して一体成形されていることを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 6 , wherein
The seal portion has a manifold opening communicating with the gas inlet or gas outlet Previous SL gas diffusion layer, at least one of the spacer layer through the interior of the sealing portion in the plane direction, the seal The membrane electrode assembly is characterized in that the portion is integrally formed through a through-hole formed in the spacer layer .
請求項に記載の膜電極接合体であって、
前記接着層、前記スペーサー層、及び前記含浸部は前記ガス拡散層へのガス導入口又はガス排出口と連通するマニホールド開口部を有し、前記シール部はマニホールド開口部に対し面内内側方向及び面内外側方向の含浸部表面上に形成されていることを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 2 , wherein
The adhesive layer, the spacer layer, and the impregnated portion have a manifold opening communicating with a gas inlet or a gas outlet to the gas diffusion layer, and the seal portion is in an in-plane inner direction with respect to the manifold opening. A membrane electrode assembly, wherein the membrane electrode assembly is formed on the surface of the impregnation portion in the in-plane outer direction .
請求項に記載の膜電極接合体であって、
前記シール部は前記ガス拡散層へのガス導入口又はガス排出口と連通するマニホールド開口部を有し、前記含浸部の少なくとも一方は前記シール部の内部を面内方向に貫通していることを特徴とする膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 6 , wherein
The seal portion has a manifold opening communicating with a gas introduction port or a gas discharge port to the gas diffusion layer, and at least one of the impregnation portions penetrates the inside of the seal portion in an in-plane direction. A membrane electrode assembly.
イオン伝導性を有する電解質膜の両面に前記電解質膜の外形寸法よりも小さな外形寸法を有する一対の触媒層を接触させる工程と、
前記電解質膜及び前記触媒層の端部に一対の接着層を形成する工程と、
前記一対の接着層の接着層同士が対向する面と反対側の面のそれぞれに接合された電気絶縁性を有する一対のスペーサー層を形成する工程と、
前記触媒層及び前記スペーサー層の表面上にガス拡散層を形成する工程と、
前記ガス拡散層の外周部に封止材料を含浸させることにより含浸部を形成する工程とを有し、
前記電解質膜を、前記ガス拡散層と前記含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に形成し、
前記接着層を、前記電解質膜の表側と裏側の面のそれぞれに形成し、かつ前記スペーサ層と前記ガス拡散層との接合界面であって面内方向と垂直な接合界面よりも面内方向外側に形成し、
前記スペーサー層を、前記ガス拡散層と前記含浸部との接合界面位置よりも面内方向内側に延伸して形成し、
前記電解質膜の面内方向外側の端部と、前記接着層の面内方向内側の端部と、前記スペーサ層の面内方向内側の端部と、前記ガス拡散層の面内方向外側の端部とを、面内方向に対して垂直方向において重なるように形成することを特徴とする膜電極接合体の製造方法
Contacting a pair of catalyst layers having outer dimensions smaller than the outer dimensions of the electrolyte membrane on both surfaces of the electrolyte membrane having ion conductivity;
Forming a pair of adhesive layers at the ends of the electrolyte membrane and the catalyst layer;
Forming a pair of spacer layers having electrical insulation bonded to each of the opposite surfaces of the pair of adhesive layers facing each other;
Forming a gas diffusion layer on the surfaces of the catalyst layer and the spacer layer;
Forming an impregnated part by impregnating a sealing material on an outer peripheral part of the gas diffusion layer,
The electrolyte membrane is formed on the inner side in the in-plane direction than the bonding interface position between the gas diffusion layer and the impregnation portion,
The adhesive layer is formed on each of the front and back surfaces of the electrolyte membrane, and is a bonding interface between the spacer layer and the gas diffusion layer and is outside in the in-plane direction with respect to the bonding interface perpendicular to the in-plane direction. Formed into
The spacer layer is formed by extending inward in the in-plane direction from the bonding interface position between the gas diffusion layer and the impregnation part,
An end in the in-plane direction of the electrolyte membrane, an end in the in-plane direction of the adhesive layer, an end in the in-plane direction of the spacer layer, and an end in the in-plane direction of the gas diffusion layer a Department, formed to a manufacturing method of the membrane electrode assembly, wherein Rukoto to overlap in a direction perpendicular to the plane direction.
請求項10に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記含浸部表面上に前記封止材料から成るシール部を突出成形する工程を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
It is a manufacturing method of the membrane electrode assembly according to claim 10,
A method for producing a membrane electrode assembly, comprising a step of projecting a seal portion made of the sealing material on the surface of the impregnation portion .
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