JP5194346B2 - 電解質膜−電極接合体 - Google Patents
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Description
前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、
前記両触媒層の端部の周囲の少なくとも一部に配置されるガスケット層が一体化されてなるガスケット構造体と、を有する膜電極接合体であって、
前記膜の両面にガス拡散層を備え、前記膜の両面に備えられた両ガス拡散層は面積が異なり、
少なくとも前記ガス拡散層面積が小さい側の前記膜の外周部と前記ガスケット構造体とが接合されていることを特徴とする電解質膜−電極接合体によって達成される。
本発明の第1実施形態は、膜と、前記膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、前記両触媒層の端部の周囲の少なくとも一部に配置される(アノード側及びカソード側の)ガスケット層が一体化されてなるガスケット構造体と、を有するMEAであって、前記膜の両面にGDLを備え、前記膜の両面に備えられた両GDLは面積が異なり、少なくとも前記GDL面積が小さい側の前記膜の外周部と前記ガスケット構造体とが接合されている。
本発明のMEAに用いられる電解質膜としては、特に限定されず公知の高分子電解質からなる膜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ればよい。この際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。
図1に示すように、アノード及びカソード側のいずれか一方における触媒層の大きさは、もう一方の触媒層の大きさよりも大きく、かつ前記触媒層の端部同士が厚さ方向で重ならないことが望ましい。特に、図1に示すように、アノード触媒層の大きさを、カシード触媒層の大きさよりも大きくするのが望ましいといえる。これにより、上記起動停止/連続運転におけるカソード触媒の腐食、及びアイドル停止運転を想定したOCV保持時の電解質膜の分解抑制の点で優れているためである。この点につき、詳しく説明する。
電極触媒は、触媒粒子が導電性担体に担持されてなるものである。
本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、電解質が含まれる。前記電解質としては、特に限定されず、上記膜に用いたものと同様の高分子電解質が使用できる。前記膜に用いられる電解質と、各触媒層に用いられる電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。すなわち、前記電解質としては、特に限定されず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ればよい。この際使用できる電解質は、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。
GDLは、膜の両側のアノード及びカソード触媒層上にそれぞれ配置されてなるものである。具体的には、MEA(膜+触媒層)をさらにGDLで挟持し、必要であればこれをホットプレスにより挟持・接合することで得ることができる。
また、撥水性をより向上させるために、前記GDLは、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるMILを有するものであってもよい。
ガスケット構造体の形状に関しては、図1に示すように、厚さ方向の切断面形状がL字型(以下、単に断面L字型と略記する)とするのが望ましい。ただし、かかる形状に制限されるものではない。
接着層に使用できる材料は、膜とガスケット構造体とを密接に接着できるものであれば特に制限されない。具体的には、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、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などが使用できる。
各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部、あるいは図1〜6に示すようなシール用の凸部(リップ)が設けられてもよい。
第2実施形態のMEAは、第1実施形態において、ガスケット構造体の両側の表面のうち、ガス拡散層面積が小さい側の表面に高低差(段差)が形成されており、当該表面高低差(段差)は、膜とガスケット構造体の接合領域の表面が非接合領域の表面よりも低くなるように形成されていることを特徴とするものである。これにより、第1実施形態に記載の作用効果を奏する事ができる。さらに、図2に示す丸で示す部分、即ちガスケット構造体21の掛持(係持)部分21a(=高低差(段差)が形成されている部分)には、構造上、膜に曲げがかかって破損の可能性がある。そのため、当該部分のガスケット構造体を薄くすることで、この部分がしなる(曲げを逃がす)ことができ、膜の破損を抑える事ができる。これにより、製造時の製品のハンドリングによる膜破損の防止ができる。また、燃料電池自動車のように、走行中に振動や衝撃を生じるような使用用途において、特に優れた構造といえるものである。
第3実施形態は、膜と膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、両触媒層の端部の周囲の少なくとも一部に配置されるガスケット層が一体化されてなるガスケット構造体とを有し、膜の両面にGDLを備え、前記膜の外周部と前記ガスケット構造体とが接合されてなるMEAであって、ガスケット構造体と膜が接する、膜の外周部両面に接着層を設けてなることを特徴とするものである。好ましくは膜のいずれか1方(例えば、GDL面積が小さい側)の外周部に設けられた接着層により、膜とガスケット構造体とが接着層を介して接合されており、膜のもう1方(例えば、ガス拡散層面積が大きい側)の外周部に設けられた接着層により、膜ないしガス拡散層とガスケット構造体とが当該接着層を介して接合されてなることを特徴とするものである。より好ましくは、前記膜のもう1方(例えば、GDL面積が大きい側)の外周部に設けられた接着層が、ポッティングにより成形されていることを特徴とするものである。これにより、第1、2実施形態の作用効果を奏することができるほか、膜の両側からソフトに変形を吸収しつつ固定することができる点で優れている。これは、ポッティングの場合は、柔らかいシリコーンゲルのようなものを用いることになる。従って、リジッドでなくいわばソフトに(または、歪を吸収する、あるいはルーズに)に変形を吸収しつつ固定することができるものである。
GDL面積が大きい側(図3では、アノードGDL17a側)の膜13の外周部に設けられた接着層19’により、膜13ないしGDL17aとガスケット構造体21とが当該接着層19’を介して接合されてなるものである。
第4実施形態は、膜と膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、両触媒層の端部の周囲の少なくとも一部に配置されるガスケット層が一体化されてなるガスケット構造体とを有し、膜の両面にGDLを備え、前記膜の外周部と前記ガスケット構造体とが接合されてなるMEAであって、ガスケット構造体を2つのピース部材で構成し、リジッドに固定してなることを特徴とするものである。好ましくは、ガスケット構造体が、大小2つのピース部材からなる、厚さ方向の断面が略コ型形状であることを特徴とするものである。詳しくは、大ピース部材が、膜の一方の面の外周部と接合するように配置されてなる、厚さ方向の断面がコ型形状のうちのL型の部分を構成する部材であり、前記小ピース部材が、大ピース部材が接合している部分の膜外周部の裏面に接合されてなる、厚さ方向の断面がコ型形状のうちの一の字型の部分を構成する部材である。本実施形態では、特に大ピース部材が、膜電極接合体の一方のガス拡散層表面から他方のガス拡散層の表面までと略同等の厚さに形成され、前記小ピース部材が、大ピース部材が接合している部分ないしその近傍の膜外周部の裏面に設置されていることを特徴とするものである。これにより、第1、2実施形態の作用効果を奏することができるほか、膜の両側からリジッドに固定することができる点で優れている。
第5実施形態は、第4実施形態において、大ピース部材が、電解質膜−電極接合体の一方のガス拡散層表面から膜までと略同等の厚さに形成され、前記小ピース部材が、大ピース部材が接合している部分の膜外周部の裏面、更にはその側外外周部にある大ピース部材の表面に接合されてなることを特徴とするものである。かかる構造では、L字型のピース部材を使用することにより、第1〜第4実施形態の作用効果を奏することができる。また、簡便で安価な製造法により作製することができる。
本発明の燃料電池のセルユニットは、本発明のMEAにセパレータが配置されてなり、
前記ガスケット構造体表面とセパレータとが接合されていることを特徴とするものである。これにより、本発明に係るMEAの作用効果を奏するほかに、膜破損防止を防止することができる点で優れている。
セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。
13…電解質膜、
15a…アノード側触媒層、
15b…カソード側触媒層、
17a…アノード側GDL、
17b…カソード側GDL、
19、19’19”…接着層、
21…ガスケット構造体、
21a…掛持(係持)部分、または接着部分、または接合されている部分、
21b…リップ形成部、またはリップの配置領域、
21c…突出部、
21d…非接合領域、
21e…裏面部分、
21L…膜とガスケット構造体が接合されている部分のガスケット構造体の表面、
21H…膜とガスケット構造体が接合されていない部分のガスケット構造体の表面、またはリップ形成面、またはリップ対峙面、
21’…ガスケット構造体の大ピース部材、
21”…ガスケット構造体の小ピース部材、
23a…アノード側リップ、
23b…カソード側リップ、
31…燃料電池のセルユニット、
33、39…接着層、
35a…アノードセパレータ、
35b…カソードセパレータ、
37a…アノードガス流路、
37b…カソードガス流路。
Claims (18)
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、
前記両触媒層の端部の周囲の少なくとも一部に配置される、アノード側ガスケット層とカソード側ガスケット層とが一体化されてなるガスケット構造体と、を有する膜電極接合体であって、
前記膜の両面にガス拡散層を備え、前記膜の両面に備えられた両ガス拡散層は面積が異なり、
少なくとも前記ガス拡散層面積が小さい側の前記膜の外周部と前記ガスケット構造体とが接着層により接合されていることを特徴とする電解質膜−電極接合体。 - 前記ガスケット構造体の両側の表面であるガスケット層の電解質膜と対向する面の反対側の面のうち、ガス拡散層面積が小さい側の表面に高低差が形成されており、
当該表面高低差は、膜とガスケット構造体の接合領域の表面が非接合領域の表面よりも低くなるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電解質膜−電極接合体。 - 前記膜とガスケット構造体が接合されている部分のガスケット構造体の表面であるガスケット層の電解質膜と対向する面の反対側の面が、シール用の凸部成型面もしくはシール用の凸部対峙面もしくは膜とガスケット構造体が接合されていない部分の表面より低く形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記一体化されたガスケット構造体が、厚さ方向の断面が略L型形状の一体ものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、
前記両触媒層の端部の周囲の少なくとも一部に配置される、アノード側ガスケット層とカソード側ガスケット層とが一体化されてなるガスケット構造体と、を有する膜電極接合体であって、
前記膜の両面にガス拡散層を備え、
前記膜の外周部と前記ガスケット構造体とが接合されていることを特徴とする電解質膜−電極接合体であって、
前記ガス拡散層面積が小さい側の膜の外周部に設けられた接着層により、膜とガスケット構造体とが当該接着層を介して接合されており、
前記ガス拡散層面積が大きい側の前記膜の外周部に設けられた接着層により、膜ないしガス拡散層とガスケット構造体とが当該接着層を介して接合されてなることを特徴とする電解質膜−電極接合体。 - 前記ガスケット構造体と膜が接する、膜の外周部両面に接着層を設けることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記ガス拡散層面積が大きい側の前記膜の外周部に設けられた接着層が、ポッティングにより成形されていることを特徴とする請求項5または6に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記ガスケット構造体を2つのピース部材で構成し、リジッドに固定してなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記ガスケット構造体が、大小2つのピース部材からなる、厚さ方向の断面が略コ型形状であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記大ピース部材が、膜の一方の面の外周部と接合するように配置されてなる、厚さ方向の断面がコ型形状のうちのL型の部分を構成する部材であり、
前記小ピース部材が、大ピース部材が接合している部分の膜外周部の裏面に接合されてなる、厚さ方向の断面がコ型形状のうちの一の字型の部分を構成する部材であることを特徴とする請求項9に記載の電解質膜−電極接合体。 - 前記大ピース部材が、膜電極接合体の一方のガス拡散層表面から他方のガス拡散層の表面までと略同等の厚さに形成され、
前記小ピース部材が、大ピース部材が接合している部分ないしその近傍の膜外周部の裏面に設置されていることを特徴とする請求項9または10に記載の膜電解質膜−電極接合体。 - 前記大ピース部材が、電解質膜−電極接合体の一方のガス拡散層表面から膜までと略同等の厚さに形成され、
前記小ピース部材が、大ピース部材が接合している部分の膜外周部の裏面、更にはその側外外周部にある大ピース部材の表面に接合されてなることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。 - 前記ガスケット構造体を構成する2つのピース部材が接着層を介して接合されていることを特徴とする請求項8〜12のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記膜の外周部と前記ガスケット構造体とが接着層を介して接合されていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記接着層の面内方向内端部は、前記ガスケット層の面内方向内端部を超えて内側に位置し、かつ前記接着層の一部は前記ガス拡散層の一部と、電解質膜との間に配置されるように位置することを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
- アノード側及びカソード側のいずれか一方における前記触媒層の大きさは、もう一方の触媒層の大きさよりも大きく、かつ前記触媒層の端部同士が厚さ方向で重ならないことを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。
- 請求項1〜16のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体にセパレータが配置されてなり、
前記ガスケット構造体表面とセパレータとが接合されていることを特徴とする燃料電池のセルユニット。 - 前記ガスケット構造体表面とセパレータとが接着層を介して接合されていることを特徴
とする請求項17に記載の燃料電池のセルユニット。
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