JP5301928B2 - Membrane electrode assembly, membrane electrode-frame assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly, membrane electrode-frame assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly, capable of suppressing degradation of power generation efficiency by suppression of soaking of a resin material from an outer edge part to a central part of a gas diffusion layer, when a frame body is formed by resin molding adjacent to the outer edge part of the membrane electrode assembly. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly is constituted of a polymer electrolyte membrane; a pair of catalyst layers opposed to each other through the polymer electrolyte membrane; a pair of gas diffusion layers opposed to each other through the polymer electrolyte and the pair of catalyst layers; and a resin soaking regulating part, mounted adjacent to the outer edge part of at least one gas diffusion layer of the pair and which is capable of preventing the resin material from soaking to the gas diffusion layers, while permitting a resin material molten due to heating of partial soaking. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、膜電極接合体、当該膜電極接合体を備える膜電極−枠接合体及び高分子電解質形燃料電池に関し、より詳しくは、前記膜電極接合体の外縁部の構造の改良に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, a membrane electrode-frame assembly including the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell. More specifically, the present invention relates to an improvement in the structure of the outer edge of the membrane electrode assembly.

近年、自動車などの移動体、分散発電システム、及び家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として、高分子電解質形燃料電池(以下、燃料電池と略す)の開発が進められている。   2. Description of the Related Art In recent years, development of polymer electrolyte fuel cells (hereinafter abbreviated as fuel cells) has been promoted as driving sources for mobile objects such as automobiles, distributed power generation systems, and household cogeneration systems.

燃料電池は、膜電極接合体の外縁部を包囲するように枠体を配置した膜電極−枠接合体を、一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。膜電極接合体101は、図13に示すように、外縁部を前記枠体に支持される高分子電解質膜111と、高分子電解質膜111の両面に形成された一対の電極層112,112とで構成されている。電極層112は、高分子電解質膜111の表面に形成される白金等の触媒層113と、触媒層113の表面に形成されるガス拡散層114とで構成されている。ガス拡散層114は、多孔質構造を有する導電性基材114aの触媒層113側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層114bを有するように構成されている。
燃料電池は、一方のガス拡散層114に水素を含有する燃料ガスを供給し、他方のガス拡散層114に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給することにより、電気化学反応を生じさせて、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
A fuel cell is configured by sandwiching a membrane electrode-frame assembly, in which a frame is disposed so as to surround an outer edge of the membrane electrode assembly, between a pair of plate-like conductive separators. As shown in FIG. 13, the membrane electrode assembly 101 includes a polymer electrolyte membrane 111 whose outer edge is supported by the frame body, and a pair of electrode layers 112 and 112 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 111. It consists of The electrode layer 112 includes a catalyst layer 113 such as platinum formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 111 and a gas diffusion layer 114 formed on the surface of the catalyst layer 113. The gas diffusion layer 114 is configured to have a water repellent carbon layer 114b containing a water repellent material and conductive carbon in the surface layer portion on the catalyst layer 113 side of the conductive base material 114a having a porous structure.
The fuel cell causes an electrochemical reaction by supplying a fuel gas containing hydrogen to one gas diffusion layer 114 and an oxidant gas containing oxygen such as air to the other gas diffusion layer 114. Thus, the device generates electric power and heat at the same time.

前記構成を有する燃料電池においては、実用化に向けて、発電性能向上のため様々な提案がされている。例えば、特許文献1(特開2007−66805号公報)には、高分子電解質膜111の劣化を抑制することを意図して、撥水カーボン層114bの外縁部の厚さを中心部よりも厚くする技術などが開示されている。
特開2007−66805号公報
In the fuel cell having the above-described configuration, various proposals have been made for improving power generation performance for practical use. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-66805), the thickness of the outer edge portion of the water-repellent carbon layer 114b is made thicker than that of the central portion in order to suppress deterioration of the polymer electrolyte membrane 111. The technology to do is disclosed.
JP 2007-66805 A

しかしながら、特許文献1を含む従来の燃料電池においては、図14A及び図14Bに示すように、膜電極接合体101の外縁部に隣接して枠体116を樹脂成形する際に、加熱により溶融した樹脂材料がガス拡散層114の外縁部から中心部に向けて過剰に染み込む恐れがある。この樹脂材料が染みこんだ部分117は、ガス拡散性が失われて発電に寄与しない。このため、当該染み込み部分117が大きくなるほど、燃料電池の発電性能が低下することになる。   However, in the conventional fuel cell including Patent Document 1, as shown in FIGS. 14A and 14B, when the frame body 116 is resin-molded adjacent to the outer edge portion of the membrane electrode assembly 101, it is melted by heating. There is a possibility that the resin material may permeate excessively from the outer edge of the gas diffusion layer 114 toward the center. The portion 117 infiltrated with the resin material loses gas diffusibility and does not contribute to power generation. For this reason, the power generation performance of the fuel cell decreases as the infiltrating portion 117 increases.

従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を抑えることができる膜電極接合体、膜電極−枠接合体、及び高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and suppresses the penetration of the resin material into the gas diffusion layer when the frame body is resin-molded adjacent to the outer edge portion of the membrane electrode assembly. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly, a membrane electrode-frame assembly, and a polymer electrolyte fuel cell that can suppress a decrease in power generation performance.

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方のガス拡散層の外縁部に隣接して配置され、加熱により溶融した樹脂材料が一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料が前記ガス拡散層に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部と、
を有し、
前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記ガス拡散層に含まれる前記撥水材料の目付重量より大きい目付重量にて前記撥水材料を含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、膜電極接合体を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
According to a first aspect of the present invention, a polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers facing each other across the polymer electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers facing each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
The resin material disposed adjacent to the outer edge of at least one gas diffusion layer of the pair of gas diffusion layers and allowing the resin material melted by heating to permeate in part, while the resin material is the gas diffusion layer A resin soaking regulation part that can be regulated so as not to soak into
I have a,
The gas diffusion layer has a water repellent carbon layer containing a water repellent material and conductive carbon on the surface layer portion on the catalyst layer side of the conductive substrate having a porous structure,
The resin soaking restriction part is configured to include the water repellent material in the conductive base material with a weight per unit area larger than a unit weight of the water repellent material included in the gas diffusion layer. Provided is a membrane electrode assembly that regulates permeation into the gas diffusion layer .

本発明の第2態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の厚さは、前記撥水カーボン層の厚さより大きく、前記ガス拡散層の厚さ以下である、第1態様に記載の膜電極接合体を提供する。   According to a second aspect of the present invention, the thickness of the resin soaking restriction portion is greater than the thickness of the water-repellent carbon layer and is equal to or less than the thickness of the gas diffusion layer. Provide the body.

本発明の第態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料の目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、第1又は2態様に記載の膜電極接合体を提供する。
According to a third aspect of the present invention, a weight per unit area of the water-repellent material of the resin penetration restricting portion, toward the inner edge side regions in the vicinity of the gas diffusion layer is larger than the outer edge region, the first or second aspect The membrane electrode assembly described in 1. is provided.

本発明の第態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料は、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては均一に分布している、第1〜3のいずれか1つの態様に記載の膜電極接合体を提供する。
According to a fourth aspect of the present invention, the water-repellent material of the resin penetration restricting portion, in the thickness direction parallel to the direction of the gas diffusion layer is distributed to one uniform, one second to third A membrane electrode assembly according to any one of the embodiments is provided.

本発明の第態様によれば、前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記撥水カーボン層に含まれる前記導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて前記導電性カーボンを含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、第1〜のいずれか1つの態様に記載の膜電極接合体を提供する。
According to the fifth aspect of the present invention, the gas diffusion layer has a water-repellent carbon layer containing a water-repellent material and conductive carbon on a surface layer portion of the conductive substrate having a porous structure on the catalyst layer side. And
The resin soaking restriction portion is configured to include the conductive carbon in the conductive base material with a weight per unit area larger than a unit weight of the conductive carbon included in the water-repellent carbon layer. The membrane electrode assembly according to any one of the first to fourth aspects is provided that regulates permeation of the gas diffusion layer into the gas diffusion layer.

本発明の第態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンの目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、第態様に記載の膜電極接合体を提供する。
According to a sixth aspect of the present invention, a weight per unit area of the conductive carbon of the resin penetration restricting portion, toward the inner edge side regions in the vicinity of the gas diffusion layer is larger than the outer edge region, according to the fifth aspect A membrane electrode assembly is provided.

本発明の第態様によれば、前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンは、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては均一に分布している、第又は態様に記載の膜電極接合体を提供する。
According to a seventh aspect of the present invention, the conductive carbon of the resin penetration restricting portion, in the thickness direction parallel to the direction of the gas diffusion layer is distributed to an average, the fifth or sixth aspect The described membrane electrode assembly is provided.

本発明の第態様によれば、第1〜のいずれか1つの態様に記載の膜電極接合体と、
前記樹脂染み込み規制部の外縁部に隣接して配置された、前記樹脂材料で形成される枠体と、を有し、
前記樹脂染み込み規制部の前記一部に前記枠体の前記樹脂材料が染み込んでいる、膜電極−枠接合体を提供する。
According to an eighth aspect of the present invention, the membrane electrode assembly according to any one of the first to seventh aspects,
A frame formed of the resin material, disposed adjacent to the outer edge of the resin soaking restriction portion,
Provided is a membrane electrode-frame assembly in which the resin material of the frame body is soaked into the part of the resin soaking restriction portion.

本発明の第態様によれば、第態様に記載の膜電極−枠接合体と、
前記膜電極−枠接合体を挟んで対向するように配置された一対のセパレータと、
を有する、高分子電解質形燃料電池を提供する。
According to a ninth aspect of the present invention, the membrane electrode-frame assembly according to the eighth aspect;
A pair of separators arranged to face each other across the membrane electrode-frame assembly;
A polymer electrolyte fuel cell is provided.

本発明にかかる膜電極接合体、膜電極−枠接合体、及び高分子電解質形燃料電池によれば、ガス拡散層の外縁部に隣接して、加熱により溶融した樹脂材料がガス拡散層に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部を備えているので、枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層の外縁部から中心部への樹脂材料の過剰な染み込みを抑制することができる。これにより、ガス拡散層のガス拡散性が失われることを抑えて、燃料電池の発電性能の低下を従来よりも抑えることができる。また、前記樹脂染み込み規制部はその一部に前記樹脂材料が染み込むことを許容するので、前記樹脂染み込み規制部と枠体とは隙間無く強固に接合されることができる。   According to the membrane electrode assembly, membrane electrode-frame assembly, and polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the resin material melted by heating soaks into the gas diffusion layer adjacent to the outer edge of the gas diffusion layer. Since the resin soaking restricting portion that can be restrained is provided, excessive permeation of the resin material from the outer edge portion to the center portion of the gas diffusion layer can be suppressed when the frame is resin-molded. Thereby, the loss of the gas diffusibility of the gas diffusion layer can be suppressed, and the deterioration of the power generation performance of the fuel cell can be suppressed as compared with the conventional case. In addition, since the resin soaking restriction part allows the resin material to soak into a part of the resin soaking restriction part, the resin soaking restriction part and the frame can be firmly joined without a gap.

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下、本発明の最良の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
Before continuing the description of the present invention, the same parts are denoted by the same reference numerals in the accompanying drawings.
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

《第1実施形態》
図1を参照しつつ、本発明の第1実施形態にかかる膜電極接合体の構成について説明する。図1は、本発明の第1実施形態にかかる膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)の基本構成の一例を示す模式断面図である。膜電極接合体は、高分子電解質形燃料電池(以下、燃料電池と略す)に搭載される単電池を構成するものである。
<< First Embodiment >>
The configuration of the membrane electrode assembly according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane-electrode assembly (MEA) according to the first embodiment of the present invention. The membrane electrode assembly constitutes a unit cell mounted on a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as a fuel cell).

図1に示すように、本発明の第1実施形態にかかる膜電極接合体1は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜11と、高分子電解質膜11の両面に形成された一対の電極層12,12とを備えている。一対の電極層12,12のうちの一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。なお、一対の電極層12,12は、同様の構成を有するので、特にことわりのない限り、以下、一方の電極層12の構成についてのみ説明する。   As shown in FIG. 1, the membrane electrode assembly 1 according to the first embodiment of the present invention includes a polymer electrolyte membrane 11 that selectively transports hydrogen ions and a pair formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11. Electrode layers 12 and 12. One of the pair of electrode layers 12 and 12 is an anode electrode, and the other is a cathode electrode. Since the pair of electrode layers 12 and 12 have the same configuration, only the configuration of one electrode layer 12 will be described below unless otherwise specified.

電極層12は、高分子電解質膜11の表面に形成される白金等の触媒層13と、触媒層13の表面に形成されるガス拡散層14とを備えている。ガス拡散層14は、通気性及び電子伝導性を併せ持つものである。具体的には、ガス拡散層14は、多孔質構造を有する導電性基材14aの触媒層13側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを混合した撥水カーボン層14bを有するように構成されている。膜電極接合体1は、一方の電極層12(アノード電極)に水素を含有する燃料ガスが供給され、他方の電極層12(カソード電極)に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスが供給されることにより、電気化学反応を生じて、電力と熱とを同時に発生させることができる。   The electrode layer 12 includes a catalyst layer 13 such as platinum formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 11 and a gas diffusion layer 14 formed on the surface of the catalyst layer 13. The gas diffusion layer 14 has both air permeability and electronic conductivity. Specifically, the gas diffusion layer 14 has a water repellent carbon layer 14b in which a water repellent material and conductive carbon are mixed in the surface layer portion on the catalyst layer 13 side of the conductive base material 14a having a porous structure. It is configured. In the membrane electrode assembly 1, a fuel gas containing hydrogen is supplied to one electrode layer 12 (anode electrode), and an oxidant gas containing oxygen such as air is supplied to the other electrode layer 12 (cathode electrode). As a result, an electrochemical reaction is generated, and electric power and heat can be generated simultaneously.

ガス拡散層14の外縁部(周囲)には、加熱により溶融した樹脂材料がその一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料がガス拡散層14に染み込まないように規制可能に構成された樹脂染み込み規制部15が隣接配置されている。具体的には、樹脂染み込み規制部15は、撥水カーボン層14bと同様に、導電性基材14aに撥水材料及び導電性カーボンを混合して構成されるが、ガス拡散層14の全体に含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて前記撥水材料及び導電性カーボンを含むように構成されている。また、樹脂染み込み規制部15は、膜電極接合体1が燃料電池に搭載されたときに、主に発電に寄与することを意図しない領域、例えば膜電極接合体1が他の部材に保持される領域に配置されている。樹脂染み込み規制部15の幅は、例えば5mm〜10mm程度である。   The outer peripheral portion (periphery) of the gas diffusion layer 14 is configured to be able to be regulated so that the resin material melted by heating penetrates into a part of the gas diffusion layer 14 while the resin material does not penetrate the gas diffusion layer 14. A resin soaking restriction portion 15 is adjacently disposed. Specifically, the resin soaking restriction portion 15 is configured by mixing a water-repellent material and conductive carbon into the conductive base material 14a, similarly to the water-repellent carbon layer 14b. The water repellent material and the conductive carbon are included so as to have a weight per unit area larger than that of the water repellent material and the conductive carbon. In addition, the resin soaking restriction portion 15 is a region where the membrane electrode assembly 1 is not intended to mainly contribute to power generation when the membrane electrode assembly 1 is mounted on a fuel cell, for example, the membrane electrode assembly 1 is held by another member. Arranged in the area. The width | variety of the resin penetration control part 15 is about 5 mm-10 mm, for example.

次に、高分子電解質膜11、触媒層13、ガス拡散層14、及び樹脂染み込み規制部15の構成、材質、形成方法などについて詳しく説明する。   Next, the configuration, material, formation method, and the like of the polymer electrolyte membrane 11, the catalyst layer 13, the gas diffusion layer 14, and the resin soaking restriction portion 15 will be described in detail.

まず、高分子電解質膜11について説明する。
本第1実施形態にかかる高分子電解質膜11としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、ジャパンゴアテックス(株)製のゴアセレクト(登録商標)など)を使用することができる。高分子電解質膜11の厚さは、本発明の効果を得られる範囲内であれば特に限定されない。
First, the polymer electrolyte membrane 11 will be described.
Examples of the polymer electrolyte membrane 11 according to the first embodiment include a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont of the United States, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation). Trademark) and Gore Select (registered trademark) manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd. can be used. The thickness of the polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained.

高分子電解質膜11を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、又はスルホンイミド基を有するものが好ましい。なお、それらのうちスルホン酸基を有する高分子電解質が、水素イオン伝導性の観点からさらに好ましい。このスルホン酸基を有する高分子電解質は、イオン交換容量が0.5〜1.5meq/gであることが好ましい。前記イオン交換容量が0.5meq/g以上であると、得られた触媒層13の抵抗値が発電時に上昇する恐れがない。一方、前記イオン交換容量が1.5meq/g以下であると、得られた触媒層13の含水率が増大せず、膨潤し易くならず、細孔が閉塞する恐れが無い。なお、前記イオン交換容量は、0.8〜1.2meq/gであることがさらに好ましい。   The polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 preferably has a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, or a sulfonimide group as a cation exchange group. Of these, a polymer electrolyte having a sulfonic acid group is more preferable from the viewpoint of hydrogen ion conductivity. The polymer electrolyte having a sulfonic acid group preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g. When the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more, there is no fear that the resistance value of the obtained catalyst layer 13 increases during power generation. On the other hand, when the ion exchange capacity is 1.5 meq / g or less, the water content of the obtained catalyst layer 13 does not increase, it does not easily swell, and there is no possibility of clogging the pores. The ion exchange capacity is more preferably 0.8 to 1.2 meq / g.

また、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質は、CF=CF−(OCFCFX)−O−(CF)n−SOH(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0又は1を示し、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。)で表されるパーフルオロビニル化合物に基づく重合単位と、CF=CFで表されるテトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含むパーフルオロカーボン共重合体であることが好ましい。なお、前記フルオロカーボン重合体は、例えばエーテル結合性の酸素原子などを含んでもよい。 The polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O P - (CF 2) n-SO 3 H (m is an integer of 0 to 3, n represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and a polymer unit based on a perfluorovinyl compound represented by CF 2 = CF 2 It is preferable that it is a perfluorocarbon copolymer containing the polymerization unit based on the tetrafluoroethylene represented by these. The fluorocarbon polymer may contain, for example, an etheric oxygen atom.

前記パーフルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式(1)〜(3)で表される化合物が挙げられる。但し、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、tは1〜3の整数を示す。   Preferable examples of the perfluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (1) to (3). However, in the following formula, q represents an integer of 1 to 8, r represents an integer of 1 to 8, and t represents an integer of 1 to 3.

CF=CFO(CF−SOH ・・・(1)
CF=CFOCFCF(CF)O(CF−SOH ・・・(2)
CF=CF(OCFCF(CF))O(CF−SO ・・・(3)
CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 3 H ··· (1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r -SO 3 H ··· (2)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 -SO 3 ··· (3)

また、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質は、一種又は複数種の高分子電解質で構成されてもよく、また、内部に補強体(充填材)を含んでもよい。前記補強体の配置(例えば疎密の程度、規則性など)は特に限定されない。前記補強体を構成する材料としては、例えばポリテトラフルオルエチレン、ポリフルオロアルコキシエチレン、又はポリフェニルスルフィドなどを使用することができる。前記補強体の形状としては、例えば、多孔体状の補強体、並びにフィブリル状、繊維状、及び球状の補強体粒子などが挙げられる。   Moreover, the polymer electrolyte which comprises the polymer electrolyte membrane 11 may be comprised by 1 type or multiple types of polymer electrolyte, and may also contain a reinforcement body (filler) inside. The arrangement of the reinforcing bodies (for example, the degree of density or regularity) is not particularly limited. As a material constituting the reinforcing body, for example, polytetrafluoroethylene, polyfluoroalkoxyethylene, or polyphenyl sulfide can be used. Examples of the shape of the reinforcing body include a porous reinforcing body and fibril, fibrous, and spherical reinforcing body particles.

次に、触媒層13について説明する。
触媒層13は、電極触媒(例えば白金系の金属触媒)をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、当該触媒担持カーボンに付着させる水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを備えている。
Next, the catalyst layer 13 will be described.
The catalyst layer 13 includes a catalyst-supported carbon obtained by supporting an electrode catalyst (for example, a platinum-based metal catalyst) on carbon powder, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity to be attached to the catalyst-supported carbon. .

触媒層13における担体であるカーボン粉末(導電性カーボン粒子)としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料であることが好ましい。当該カーボン材料としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、及びカーボンチューブなどを使用することができる。前記カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、及びアセチレンブラックなどが挙げられる。また、前記活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理及び賦活処理することによって得ることができる。   The carbon powder (conductive carbon particles) which is a carrier in the catalyst layer 13 is preferably a carbon material having conductive fine pores. As the carbon material, for example, carbon black, activated carbon, carbon fiber, carbon tube, and the like can be used. Examples of the carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Moreover, the activated carbon can be obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms.

前記カーボン粉末の比表面積は50〜1500m/gであることが好ましい。カーボン粉末の比表面積が50m/g以上であると、電極触媒の担持率を向上させ易く、カソード側触媒層及びアノード側触媒層の出力特性が低下する恐れがない。一方、カーボン粉末の比表面積が1500m/g以下であると、細孔が微細過ぎずに前記高分子電解質による被覆がより容易となる。このため、触媒層13の出力特性が低下する恐れがない。なお、カーボン粉末の比表面積は、200〜900m/gであることがさらに好ましい。 The carbon powder preferably has a specific surface area of 50 to 1500 m 2 / g. When the specific surface area of the carbon powder is 50 m 2 / g or more, the loading ratio of the electrode catalyst is easily improved, and there is no fear that the output characteristics of the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer are deteriorated. On the other hand, when the specific surface area of the carbon powder is 1500 m 2 / g or less, the pores are not too fine and the coating with the polymer electrolyte becomes easier. For this reason, there is no possibility that the output characteristics of the catalyst layer 13 will deteriorate. In addition, it is more preferable that the specific surface area of carbon powder is 200-900 m < 2 > / g.

触媒層13を構成する電極触媒としては、白金又は白金合金を用いることが好ましい。白金合金は、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群より選択される1種以上の金属と、白金との合金であることが好ましい。また、前記白金合金には、白金と前記金属との金属間化合物が含有されてもよい。   As an electrode catalyst constituting the catalyst layer 13, platinum or a platinum alloy is preferably used. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, and tin. An alloy of one or more metals selected from the group and platinum is preferable. The platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and the metal.

また、触媒層13を構成する電極触媒は、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒とを混合したものであってもよい。さらに、触媒層13を構成する電極触媒として、アノード側とカソード側とに、同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。   The electrode catalyst constituting the catalyst layer 13 may be a mixture of an electrode catalyst made of platinum and an electrode catalyst made of a platinum alloy. Further, as the electrode catalyst constituting the catalyst layer 13, the same electrode catalyst or different electrode catalysts may be used on the anode side and the cathode side.

また、触媒層13を構成する電極触媒の一次粒子径は、触媒層13を高活性とするために、1〜20nmであることが好ましい。なお、前記一次粒子径は、反応活性を増大させるために総表面積を大きく確保することが可能であるという観点から、2〜10nmであることがさらに好ましい。   The primary particle diameter of the electrode catalyst constituting the catalyst layer 13 is preferably 1 to 20 nm in order to make the catalyst layer 13 highly active. The primary particle size is more preferably 2 to 10 nm from the viewpoint that a large total surface area can be secured in order to increase the reaction activity.

前記触媒担持カーボンの触媒担持率(触媒担持カーボンの全質量に対する、担持されている電極触媒の質量の割合)は、20〜80質量%であることが好ましい。前記触媒担持率が20質量%以上であると、必要な電池出力をより確実に得ることができる。一方、前記触媒担持率が80質量%以下であると、前記電極触媒の粒子を分散性良く前記カーボン粉末に担持させることができる。これにより、触媒有効面積をより増大させることができる。なお、前記触媒担持率は、40〜60質量%であることがさらに好ましい。   The catalyst supporting rate of the catalyst supporting carbon (ratio of the mass of the supported electrode catalyst to the total mass of the catalyst supporting carbon) is preferably 20 to 80% by mass. When the catalyst loading is 20% by mass or more, the required battery output can be obtained more reliably. On the other hand, when the catalyst supporting rate is 80% by mass or less, the electrode catalyst particles can be supported on the carbon powder with good dispersibility. Thereby, a catalyst effective area can be increased more. The catalyst loading is more preferably 40 to 60% by mass.

触媒層13を構成する高分子電解質は、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質と同じ種類のものであっても、異なる種類のものであってもよい。例えば、触媒層13を構成する高分子電解質として、米国DuPont社製のNafio(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)等の市販品が使用されてもよい。   The polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 may be the same type as the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 or may be a different type. For example, commercially available Nafio (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. Goods may be used.

また、触媒層13を構成する高分子電解質は、触媒担持カーボン粒子を被覆し、かつ、3次元的に水素イオン伝導経路を確保するために、前記触媒担持カーボンの質量に比例して添加されることが望ましい。具体的には、触媒層13を構成する高分子電解質の質量は、前記触媒担持カーボンの質量の0.2倍〜2.0倍であることが好ましい。触媒層13を構成する高分子電解質の質量が前記触媒担持カーボンの質量の0.2倍以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保できる。一方、触媒層13を構成する高分子電解質の質量が前記触媒担持カーボンの質量の2.0倍以下であると、フラッディングの回避が可能となり、より高い電池出力を実現することができる。   The polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 is added in proportion to the mass of the catalyst-carrying carbon in order to cover the catalyst-carrying carbon particles and secure a three-dimensional hydrogen ion conduction path. It is desirable. Specifically, the mass of the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 is preferably 0.2 to 2.0 times the mass of the catalyst-supporting carbon. When the mass of the polymer electrolyte composing the catalyst layer 13 is 0.2 times or more of the mass of the catalyst-supporting carbon, sufficient hydrogen ion conductivity can be ensured. On the other hand, when the mass of the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 is 2.0 times or less of the mass of the catalyst-supporting carbon, flooding can be avoided and higher battery output can be realized.

なお、本第1実施形態においては、触媒層13を構成する高分子電解質が、前記触媒担持カーボン粒子の表面に部分的に付着していればよく(すなわち、触媒担持カーボン粒子の少なくとも一部を被覆していればよく)、必ずしも触媒担持カーボン粒子全体を被覆していなくてもよい。   In the first embodiment, the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 13 only needs to be partially attached to the surface of the catalyst-carrying carbon particles (that is, at least a part of the catalyst-carrying carbon particles is formed). It is not always necessary to coat the entire catalyst-supporting carbon particles.

触媒層13は、当該触媒層13の構成を実現可能な成分組成に調製された複数の触媒層形成用インクを用いて形成することができる。前記触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、前記高分子電解質を溶解可能又は分散可能(高分子電解質の一部が溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む)であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。前記分散媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコール、及びtert―ブチルアルコールのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの水及びアルコールは、単独で使用されてもよく、また、2種以上混合されてもよい。前記アルコールとしては、分子内にOH基を1つ有する直鎖構造のものがさらに好ましく、その中でもエタノールが特に好ましい。また、前記アルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。   The catalyst layer 13 can be formed using a plurality of inks for forming a catalyst layer prepared to have a component composition capable of realizing the configuration of the catalyst layer 13. As the dispersion medium used for preparing the ink for forming the catalyst layer, the polymer electrolyte can be dissolved or dispersible (a part of the polymer electrolyte is dissolved and the other part is dispersed without being dissolved). It is preferable to use a liquid containing an alcohol that includes a state of The dispersion medium preferably contains at least one of water, methanol, ethanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol, and tert-butyl alcohol. These water and alcohol may be used independently and may be mixed 2 or more types. As the alcohol, those having a linear structure having one OH group in the molecule are more preferred, and ethanol is particularly preferred among them. The alcohol includes those having an ether bond such as ethylene glycol monomethyl ether.

また、前記触媒層形成用インクの組成は、触媒層13の構成に応じて適宜調整すればよいが、固形分濃度が0.1〜20質量%であることが好ましい。前記固形分濃度が0.1質量%以上であると、前記触媒層形成用インクを噴霧又は塗布することにより触媒層13を形成するときに、何回も繰り返し噴霧又は塗布しなくても、所望の厚さの触媒層13を得ることができる。これにより、生産効率の低下を抑えることができる。一方、前記固形分濃度が20質量%以下であると、前記触媒層形成用インクの粘度が高くなり過ぎず、触媒層13の厚さを略均一にすることができる。なお、前記固形分濃度は、1〜10質量%であることがさらに好ましい。   The composition of the ink for forming the catalyst layer may be appropriately adjusted according to the configuration of the catalyst layer 13, but the solid content concentration is preferably 0.1 to 20% by mass. When the solid content concentration is 0.1% by mass or more, when the catalyst layer 13 is formed by spraying or coating the ink for forming the catalyst layer, it is desired that the catalyst layer 13 is not repeatedly sprayed or applied many times. The catalyst layer 13 having a thickness of 5 mm can be obtained. Thereby, the fall of production efficiency can be suppressed. On the other hand, when the solid content concentration is 20% by mass or less, the viscosity of the catalyst layer forming ink does not become too high, and the thickness of the catalyst layer 13 can be made substantially uniform. The solid content concentration is more preferably 1 to 10% by mass.

前記触媒層形成用インクは、公知の方法に基づいて調製することができる。例えば、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調製することができる。また、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押し出すことで分散液にせん断力を付与する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調製することもできる。   The catalyst layer forming ink can be prepared based on a known method. For example, the catalyst layer forming ink can be prepared by using a method using a stirrer such as a homogenizer or a homomixer or a method using high-speed rotation such as a high-speed rotation jet flow method. The ink for forming a catalyst layer can also be prepared by using a method of applying a high pressure to extrude the dispersion from a narrow portion and applying a shearing force to the dispersion.

前記触媒層形成用インクを用いて触媒層13を形成する方法としては、高分子電解質膜11に触媒層13を、直接塗布する直接塗布方法、及び間接的に塗布する間接塗布方法のいずれの方法も採用することができる。直接及び間接塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷法、ダイコート法、スプレー法、及びインクジェット法などを利用することができる。間接塗布方法を採用する場合、例えば、ポリプロピレン又はポリエチレンテレフタラート製の支持体上に前記塗布方法を利用して触媒層形成用インクを塗布し、その後、熱転写することにより、高分子電解質膜11上に触媒層13を形成することができる。   As a method for forming the catalyst layer 13 using the catalyst layer forming ink, any one of a direct coating method in which the catalyst layer 13 is directly coated on the polymer electrolyte membrane 11 and an indirect coating method in which the catalyst layer 13 is indirectly coated is used. Can also be adopted. As the direct and indirect coating methods, for example, a screen printing method, a die coating method, a spray method, an ink jet method, or the like can be used. In the case of employing the indirect coating method, for example, the catalyst layer forming ink is coated on a support made of polypropylene or polyethylene terephthalate by using the coating method, and then thermally transferred, whereby the polymer electrolyte membrane 11 is coated. Thus, the catalyst layer 13 can be formed.

次に、ガス拡散層14について説明する。
ガス拡散層14を構成する導電性基材14aは、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー、又はカーボンクロスなどを用いて作製することができる。なお、導電性基材14aには、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子材料などがその内部に分散されてもよい。また、導電性基材14aは、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維、又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料で構成されてもよい。
Next, the gas diffusion layer 14 will be described.
The conductive base material 14a constituting the gas diffusion layer 14 is produced using carbon fine powder, pore former, carbon paper, or carbon cloth having a developed structure structure in order to provide gas permeability. Can do. In addition, in order to give drainage to the conductive base material 14a, a water-repellent polymer material typified by a fluororesin may be dispersed therein. Moreover, in order to give electronic conductivity, the electroconductive base material 14a may be comprised with electron conductive materials, such as a carbon fiber, a metal fiber, or carbon fine powder.

また、ガス拡散層14を構成する導電性基材14aは、多孔質構造を有する織布又は不織布で構成されている。導電性基材14aが前記織布で構成される場合、前記織布を構成する糸の太さが100〜200μmであり、かつ、前記織布の目付量が60〜90g/mであることが好ましい。また、導電性基材14aが前記不織布で構成される場合、前記不織布の目付量が50〜80g/mであり、かつ、前記不織布の厚さが100〜300μmであることが好ましい。 Moreover, the electroconductive base material 14a which comprises the gas diffusion layer 14 is comprised by the woven fabric or nonwoven fabric which has a porous structure. When the conductive base material 14a is composed of the woven fabric, the thickness of the thread constituting the woven fabric is 100 to 200 μm, and the basis weight of the woven fabric is 60 to 90 g / m 2. Is preferred. Moreover, when the electroconductive base material 14a is comprised with the said nonwoven fabric, it is preferable that the fabric weight of the said nonwoven fabric is 50-80 g / m < 2 >, and the thickness of the said nonwoven fabric is 100-300 micrometers.

ガス拡散層14を構成する撥水カーボン層14bは、導電性基材14aの触媒層13側の表層部分に撥水材料(高分子)及び導電性カーボン粉末を混合して構成されたものである。撥水カーボン層14bは、撥水材料と導電性カーボン粉末と分散媒とを含む撥水カーボン層用インクを調製し、当該インクを導電性基材14aの触媒層13側の表層部分に塗布したのち、乾燥することにより形成することができる。   The water repellent carbon layer 14b constituting the gas diffusion layer 14 is configured by mixing a water repellent material (polymer) and conductive carbon powder in the surface layer portion of the conductive base material 14a on the catalyst layer 13 side. . For the water repellent carbon layer 14b, a water repellent carbon layer ink containing a water repellent material, a conductive carbon powder, and a dispersion medium was prepared, and the ink was applied to the surface layer portion on the catalyst layer 13 side of the conductive substrate 14a. Thereafter, it can be formed by drying.

前記撥水材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)などのフッ素樹脂を使用することができる。   Examples of the water repellent material include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene / A fluororesin such as ethylene copolymer (ETFE) can be used.

前記導電性カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、及びカーボンチューブなどを使用することができる。前記カーボンブラックとしては、例えば、チャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、及びアセチレンブラックなどが挙げられる。   As the conductive carbon powder, for example, carbon black, activated carbon, carbon fiber, and carbon tube can be used. Examples of the carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black.

前記分散媒としては、前述した触媒層形成用インクの分散媒と同様のものを用いることができる。また、撥水カーボン層用インクの組成は、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整すればよい。   As the dispersion medium, the same dispersion medium as that for the catalyst layer forming ink described above can be used. Further, the composition of the water repellent carbon layer ink may be appropriately adjusted within a range not impairing the effects of the present invention.

次に、樹脂染み込み規制部15について説明する。
樹脂染み込み規制部15は、前述したように、導電性基材14aに撥水カーボン層14bと同じ撥水材料及び導電性カーボンを、ガス拡散層14の全体に含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて含むように構成されている。これにより、樹脂染み込み規制部15は、加熱により溶融した樹脂材料がその一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料がガス拡散層14に染み込まないように規制可能に構成されている。
Next, the resin soaking restriction unit 15 will be described.
As described above, the resin soaking restricting portion 15 includes the same water repellent material and conductive carbon as the water repellent carbon layer 14b on the conductive base material 14a, and the water repellent material and conductive carbon contained in the entire gas diffusion layer 14. It is comprised so that it may be included with the fabric weight larger than the fabric weight. Accordingly, the resin soaking restriction unit 15 is configured to be able to restrict the resin material soaked into the gas diffusion layer 14 while allowing the resin material melted by heating to soak into a part thereof.

樹脂染み込み規制部15は、以下に説明するような種々の方法で、ガス拡散層14の作製と連続して効率的に作製することができる。   The resin soaking restriction part 15 can be efficiently produced continuously with the production of the gas diffusion layer 14 by various methods as described below.

図3A及び図3Bは、図2に示すガス拡散層14及び樹脂染み込み規制部15の製造方法の一例を示している。
まず、図3Aに示すように、樹脂染み込み規制部15と対応する位置に空孔32が設けられた平板状治具31の上に、導電性基材14aを載置する。
次いで、樹脂染み込み規制部15に対応する導電性基材14aの上面の領域に、前記撥水カーボン層用インクを塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
3A and 3B show an example of a method for manufacturing the gas diffusion layer 14 and the resin soaking restriction portion 15 shown in FIG.
First, as shown in FIG. 3A, the conductive base material 14 a is placed on the plate-like jig 31 in which the holes 32 are provided at positions corresponding to the resin soaking restriction portion 15.
Next, the water repellent carbon layer ink is applied to the region of the upper surface of the conductive base material 14 a corresponding to the resin soaking restriction portion 15. At this time, as a method for applying the ink, a screen printing method, a coating method, a spray method, an ink jet method, or the like can be used.

次いで、平板状治具31の空孔32を通じて、図3Bに示すように、前記塗布したインクを下方に(図3Bの矢印の方向に)真空引きする。これにより、樹脂染み込み規制部15に対応する導電性基材14aの領域に撥水材料及び導電性カーボンが分散配置される。
次いで、前記導電性基材14aの上面に、前記撥水カーボン層用インクを塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
次いで、前記撥水カーボン層用インクを塗布した導電性基材14aを焼成する。このときの焼成温度は、例えば約325℃であり、焼成時間は、例えば1時間である。
次いで、樹脂染み込み規制部15より外側の部分を切断する。
以上の各工程を実行することにより、図2に示すように、ガス拡散層14の外縁部に隣接して樹脂染み込み規制部15を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 3B, the applied ink is evacuated downward (in the direction of the arrow in FIG. 3B) through the holes 32 of the flat jig 31. Thereby, the water repellent material and the conductive carbon are dispersedly arranged in the region of the conductive base material 14 a corresponding to the resin soaking restriction portion 15.
Next, the water repellent carbon layer ink is applied to the upper surface of the conductive substrate 14a. At this time, as a method for applying the ink, a screen printing method, a coating method, a spray method, an ink jet method, or the like can be used.
Next, the conductive base material 14a coated with the water repellent carbon layer ink is baked. The firing temperature at this time is, for example, about 325 ° C., and the firing time is, for example, 1 hour.
Next, the portion outside the resin soaking restriction portion 15 is cut.
By performing each of the above steps, as shown in FIG. 2, the resin soaking restriction portion 15 can be formed adjacent to the outer edge portion of the gas diffusion layer 14.

また、図4A及び図4Bは、図2に示すガス拡散層14及び樹脂染み込み規制部15の製造方法の別の一例を示している。
まず、図4Aに示すように、ロール状に巻かれた導電性基材14aのシートを、樹脂染み込み規制部15に対応する位置に空孔34が設けられた円筒状治具33に向けて引き出す。この過程において、導電性基材14aの上面に前記撥水カーボン層用インクを塗布する。当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
4A and 4B show another example of the manufacturing method of the gas diffusion layer 14 and the resin soaking restriction portion 15 shown in FIG.
First, as shown in FIG. 4A, the sheet of the conductive base material 14a wound in a roll shape is pulled out toward a cylindrical jig 33 provided with a hole 34 at a position corresponding to the resin soaking restriction portion 15. . In this process, the water repellent carbon layer ink is applied to the upper surface of the conductive substrate 14a. As the ink application method, a screen printing method, a coating method, a spray method, an ink jet method, or the like can be used.

次いで、円筒状治具33上まで引き出された導電性基材14aを、空孔34を通じて円筒状治具33の内側から真空引きする。これにより、図4Bに示すように、樹脂染み込み規制部15に対応する導電性基材14aの領域に撥水材料及び導電性カーボンが分散配置される。
次いで、前記導電性基材14aの上面に、前記撥水カーボン層用インクを再度塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
次いで、前記撥水カーボン層用インクを塗布した導電性基材14aを焼成する。このときの焼成温度は、例えば約325℃であり、焼成時間は、例えば1時間である。
次いで、樹脂染み込み規制部15より外側の部分を切断する。
以上の各工程を実行することにより、図2に示すように、ガス拡散層14の外縁部に隣接して樹脂染み込み規制部15を形成することができる。
Next, the conductive base material 14 a drawn out onto the cylindrical jig 33 is evacuated from the inside of the cylindrical jig 33 through the holes 34. Thereby, as shown in FIG. 4B, the water repellent material and the conductive carbon are dispersedly arranged in the region of the conductive base material 14a corresponding to the resin soaking restriction portion 15.
Next, the water repellent carbon layer ink is applied again on the upper surface of the conductive substrate 14a. At this time, as a method for applying the ink, a screen printing method, a coating method, a spray method, an ink jet method, or the like can be used.
Next, the conductive base material 14a coated with the water repellent carbon layer ink is baked. The firing temperature at this time is, for example, about 325 ° C., and the firing time is, for example, 1 hour.
Next, the portion outside the resin soaking restriction portion 15 is cut.
By performing each of the above steps, as shown in FIG. 2, the resin soaking restriction portion 15 can be formed adjacent to the outer edge portion of the gas diffusion layer 14.

また、図5A〜図5Dは、図2に示すガス拡散層14及び樹脂染み込み規制部15の製造方法のさらに別の一例を示している。
まず、図5Aに示すように、ステージ35上に配置された撥水カーボン層用インク36に、導電性基材14aの下面を浸す。これにより、図5Bに示すように、導電性基材14aの下面の表層部分に撥水カーボン層用インク36が浸透し、撥水カーボン層14bが形成される。
5A to 5D show still another example of the manufacturing method of the gas diffusion layer 14 and the resin soaking restriction portion 15 shown in FIG.
First, as shown in FIG. 5A, the lower surface of the conductive substrate 14 a is immersed in the water repellent carbon layer ink 36 disposed on the stage 35. As a result, as shown in FIG. 5B, the water repellent carbon layer ink 36 penetrates into the surface layer portion of the lower surface of the conductive substrate 14a to form the water repellent carbon layer 14b.

次いで、図5Cに示すように、導電性基材14aの上面側から、樹脂染み込み規制部15に対応する導電性基材14aの領域のみを真空引きする。これにより、撥水カーボン層用インク36が上方(図5Cの矢印の方向に)に吸い上げられ、図5Dに示すように、樹脂染み込み規制部15に対応する導電性基材14aの領域に撥水材料及び導電性カーボンが分散配置される。なお、前記真空引きは、ステージ35上から導電性基材14aが動かないように固定しながら行われることが好ましい。
次いで、図5Dに示す導電性基材14aを焼却炉(図示せず)に移して焼成する。このときの焼成温度は、例えば約325℃であり、焼成時間は、例えば1時間である。
以上の各工程を実行することにより、図2に示すように、ガス拡散層14の外縁部に隣接して樹脂染み込み規制部15を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5C, only the region of the conductive base material 14a corresponding to the resin soaking restriction portion 15 is evacuated from the upper surface side of the conductive base material 14a. As a result, the water repellent carbon layer ink 36 is sucked upward (in the direction of the arrow in FIG. 5C), and as shown in FIG. 5D, the water repellent carbon layer region 36 corresponds to the resin infiltration restricting portion 15. Material and conductive carbon are dispersedly arranged. The evacuation is preferably performed while fixing the conductive base material 14a so as not to move from above the stage 35.
Next, the conductive substrate 14a shown in FIG. 5D is transferred to an incinerator (not shown) and baked. The firing temperature at this time is, for example, about 325 ° C., and the firing time is, for example, 1 hour.
By performing each of the above steps, as shown in FIG. 2, the resin soaking restriction portion 15 can be formed adjacent to the outer edge portion of the gas diffusion layer 14.

なお、図1に示す膜電極接合体1は、前記のようにして得られたガス拡散層14及び樹脂染み込み規制部15を、高分子電解質膜11の両面にホットプレス等で接合することにより得ることができる。   The membrane / electrode assembly 1 shown in FIG. 1 is obtained by joining the gas diffusion layer 14 and the resin soaking restriction portion 15 obtained as described above to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11 by hot pressing or the like. be able to.

本第1実施形態においては、ガス拡散層14を構成する導電性基材14aを利用して樹脂染み込み規制部15を構成しているので、樹脂染み込み規制部15の製造の効率化(例えば製造コストの削減、製造時間の短縮など)を図ることができる。また、撥水カーボン層14bと同様にして、導電性基材14aに撥水材料及び導電性カーボンを混合することにより樹脂染み込み規制部15を構成しているので、樹脂染み込み規制部15の製造のさらなる効率化を図ることができる。   In the first embodiment, since the resin soaking restriction part 15 is configured using the conductive base material 14a constituting the gas diffusion layer 14, the manufacturing efficiency of the resin soaking restriction part 15 (for example, the manufacturing cost) is increased. Reduction of manufacturing time and manufacturing time). Further, in the same manner as the water repellent carbon layer 14b, the resin soaking restriction portion 15 is configured by mixing the water repellent material and the conductive carbon with the conductive base material 14a. Further efficiency can be achieved.

次に、図6A〜図6Cを用いて、前記膜電極接合体1を備えた膜電極−枠接合体の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the membrane electrode-frame assembly provided with the membrane electrode assembly 1 will be described with reference to FIGS. 6A to 6C.

まず、図6Aに示すように、膜電極接合体1を金型20,20内に配置する。
次いで、枠体16を構成する樹脂材料を溶融(軟化)させて、図6Aの矢印の方向に流し込む。このとき、前記溶融した樹脂材料は、樹脂染み込み規制部15によりガス拡散層14への移動が規制されるので、図6B及び図6Cに示すように、前記樹脂材料の一部が樹脂染み込み規制部15の一部に染み込み部分17が生じる。
この後、前記樹脂材料を固化させる。これにより、図6B及び図6Cに示す膜電極−枠接合体2が完成する。
First, as shown in FIG. 6A, the membrane electrode assembly 1 is placed in the molds 20 and 20.
Next, the resin material constituting the frame 16 is melted (softened) and poured in the direction of the arrow in FIG. 6A. At this time, since the molten resin material is restricted from moving to the gas diffusion layer 14 by the resin soaking restriction part 15, a part of the resin material is part of the resin soaking restriction part as shown in FIGS. 6B and 6C. A soaked portion 17 is formed in a part of 15.
Thereafter, the resin material is solidified. Thereby, the membrane electrode-frame assembly 2 shown in FIGS. 6B and 6C is completed.

前記枠体16を構成する樹脂材料としては、例えば熱可塑性樹脂材料及び熱硬化性樹脂材料を用いることができる。熱可塑性樹脂材料を用いる場合には、当該樹脂を高温に溶融させて金型20、20内に流し込んだ後、低温にした矩形状の金型(図示せず)に入れて固化させればよい。また、熱硬化性樹脂材料を用いる場合には、加温(例えば50℃前後)して流動性を持たせた当該樹脂を金型20、20内に流し込んだ後、高温(例えば150℃前後)にした矩形状の金型(図示せず)に入れて硬化(固化)させればよい。   As the resin material constituting the frame body 16, for example, a thermoplastic resin material and a thermosetting resin material can be used. When a thermoplastic resin material is used, the resin may be melted at a high temperature and poured into the molds 20 and 20 and then placed in a low-temperature rectangular mold (not shown) and solidified. . Further, when a thermosetting resin material is used, the resin which has been heated (for example, around 50 ° C.) to have fluidity is poured into the molds 20, 20, and then the high temperature (eg, around 150 ° C.). What is necessary is just to make it harden | cure (solidify) in the rectangular-shaped metal mold | die (not shown) made into.

前記熱可塑性樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、テフロン、ABS樹脂、AS樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド(PA)ナイロン、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)変性ポリフェニレンエーテル(m-PPE、変性PPE、PPO)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンテレフタレート・ガラス樹脂入り(PET−G)、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート(GF−PET)、環状ポリオレフィン(COP)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルスルホン(PES)、非晶ポリアリレート(PAR)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、熱可塑性ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)などが挙げられる。   Examples of the thermoplastic resin material include polyethylene, high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyvinyl acetate, Teflon, ABS resin, AS resin, and acrylic resin. Polyamide (PA) nylon, polyacetal (POM), polycarbonate (PC) modified polyphenylene ether (m-PPE, modified PPE, PPO), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene terephthalate glass resin ( PET-G), glass fiber reinforced polyethylene terephthalate (GF-PET), cyclic polyolefin (COP), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSF) , Polyethersulfone (PES), amorphous polyarylate (PAR), liquid crystal polymer (LCP), polyetheretherketone (PEEK), thermoplastic polyimide (PI), polyamideimide (PAI) and the like.

前記熱硬化性樹脂材料としては、フェノール樹脂(PF)、エポキシ樹脂(EP)、メラミン樹脂(MF)、尿素樹脂(ユリア樹脂、UF)、不飽和ポリエステル樹脂(UP)、アルキド樹脂、ポリウレタン(PUR)、熱硬化性ポリイミド(PI)などが挙げられる。   Examples of the thermosetting resin material include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester resin (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR). ) And thermosetting polyimide (PI).

次に、図7及び図8を用いて、膜電極−枠接合体2を備えた燃料電池(単電池)3の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the fuel cell (unit cell) 3 provided with the membrane electrode-frame assembly 2 will be described with reference to FIGS.

まず、図7に示すように、膜電極−枠接合体2の両面に、枠体16と同様の樹脂材料を用いてガスケット18を樹脂成形する。このとき、ガスケット18を構成する樹脂材料がガス拡散層14に染みこまないように、ガスケット18は、枠体16と樹脂染み込み規制部15(好ましくは染み込み部分17)とに隣接して形成される。当該ガスケット18は、一対のガス拡散層14,14に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの外部へのリーク防止及び混合を防止するためのものである。   First, as shown in FIG. 7, the gasket 18 is resin-molded on both surfaces of the membrane electrode-frame assembly 2 using the same resin material as that of the frame 16. At this time, the gasket 18 is formed adjacent to the frame 16 and the resin soaking restriction portion 15 (preferably soaking portion 17) so that the resin material constituting the gasket 18 does not soak into the gas diffusion layer 14. . The gasket 18 is for preventing leakage and mixing of fuel gas and oxidant gas supplied to the pair of gas diffusion layers 14 and 14 to the outside.

次いで、図8に示すように、ガスケット18を取り付けた膜電極−枠接合体2を、一対のセパレータ19,19で挟持させて固定する。これにより、燃料電池3が完成する。
なお、一方のセパレータ(アノードセパレータ)19には、ガス拡散層14と接触する位置に燃料ガス用のガス流路19aが設けられている。また、他方のセパレータ(カソードセパレータ)には、ガス拡散層14と接触する位置に酸化剤ガス用のガス流路19aが設けられている。
Next, as shown in FIG. 8, the membrane electrode-frame assembly 2 to which the gasket 18 is attached is sandwiched and fixed by a pair of separators 19 and 19. Thereby, the fuel cell 3 is completed.
One separator (anode separator) 19 is provided with a gas flow path 19 a for fuel gas at a position in contact with the gas diffusion layer 14. The other separator (cathode separator) is provided with a gas flow path 19a for oxidizing gas at a position in contact with the gas diffusion layer.

一方のセパレータ19のガス流路19aに燃料ガスを供給し、他方のセパレータ19のガス流路19aに酸化剤ガスを供給することで、数十から数百mA/cmの実用電流密度通電時において、一つの燃料電池(単電池)で0.7〜0.8V程度の起電力を発生させることができる。 When a fuel gas is supplied to the gas flow path 19a of one separator 19 and an oxidant gas is supplied to the gas flow path 19a of the other separator 19, a current density of tens to hundreds of mA / cm 2 is applied. 1, an electromotive force of about 0.7 to 0.8 V can be generated by one fuel cell (single cell).

なお、燃料電池3を電源として使うときには、図8に示す燃料電池(単電池)3を、必要とする個数だけ直列に連結して、いわゆるスタック(図示せず)として使用することができる。この場合、ガス流路19aに反応ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)を供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ19の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先をガス流路19aにつなぐマニホールドが必要となる。本第1実施形態においては、当該マニホールドとして、公知の外部マニホールド及び内部マニホールドのいずれも採用することができる。   When the fuel cell 3 is used as a power source, the required number of fuel cells (unit cells) 3 shown in FIG. 8 can be connected in series and used as a so-called stack (not shown). In this case, in order to supply the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) to the gas flow path 19a, the piping for supplying the reaction gas is branched into a number corresponding to the number of separators 19 to be used. A manifold that connects the tip to the gas flow path 19a is required. In the first embodiment, any known external manifold and internal manifold can be employed as the manifold.

以上、本発明の第1実施形態にかかる膜電極接合体1、膜電極−枠接合体2、及び燃料電池3によれば、ガス拡散層14の外縁部に隣接して、加熱により溶融した樹脂材料がガス拡散層14に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部15を備えている。そのため、膜電極接合体1の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層14の外縁部から中心部への樹脂材料の過剰な染み込みを抑制することができる。これにより、ガス拡散層14のガス拡散性が失われることを抑えて、燃料電池の発電性能の低下を従来よりも抑えることができる。また、樹脂染み込み規制部15はその一部に前記樹脂材料が染み込むことを許容するので、樹脂染み込み規制部15と枠体16とは隙間無く強固に接合されることができる。   As described above, according to the membrane electrode assembly 1, the membrane electrode-frame assembly 2, and the fuel cell 3 according to the first embodiment of the present invention, the resin melted by heating adjacent to the outer edge portion of the gas diffusion layer 14. A resin soaking restriction portion 15 that can be restrained so that the material does not soak into the gas diffusion layer 14 is provided. Therefore, when the frame body is resin-molded adjacent to the outer edge portion of the membrane electrode assembly 1, excessive penetration of the resin material from the outer edge portion to the center portion of the gas diffusion layer 14 can be suppressed. Thereby, it can suppress that the gas diffusibility of the gas diffusion layer 14 is lost, and can suppress the fall of the power generation performance of a fuel cell compared with the past. Further, since the resin soaking restriction part 15 allows the resin material to soak into a part of the resin soaking restriction part 15, the resin soaking restriction part 15 and the frame body 16 can be firmly joined without a gap.

なお、撥水材料及び導電性カーボンを、撥水カーボン層14bよりも大きい目付重量にて樹脂染み込み込み規制部15が含むことにより、ガス拡散層14への樹脂材料の染み込みを抑えられることについては、明確なメカニズムは解明されていないが、以下のように推察される。   In addition, the resin infiltration restricting portion 15 including the water repellent material and the conductive carbon with a larger weight per unit area than the water repellent carbon layer 14b can suppress the infiltration of the resin material into the gas diffusion layer 14. Although the clear mechanism has not been elucidated, it is presumed as follows.

ガス拡散層14への樹脂材料の過剰な染み込み原因としては、主として、以下の2つの原因が考えられる。1つは、加熱により溶融した樹脂材料の粘度低下によって、多孔質構造を有する導電性基材14a内での毛細管現象が促進されることである。もう1つは、枠体成形時において、樹脂材料の粘度低下のために、当該樹脂材料に加える圧力を適切に制御できず、その結果、当該圧力が過剰に高くなり、導電性基材14a内での前記樹脂材料の拡散を助長してしまうことである。   As the cause of excessive penetration of the resin material into the gas diffusion layer 14, the following two causes are mainly conceivable. One is that capillary action in the conductive base material 14a having a porous structure is promoted by a decrease in viscosity of the resin material melted by heating. The other is that when the frame is molded, the pressure applied to the resin material cannot be appropriately controlled due to a decrease in the viscosity of the resin material. As a result, the pressure becomes excessively high, and the conductive substrate 14a This facilitates the diffusion of the resin material at

枠体成形時において、前記樹脂材料は、その融点よりも高い温度で加熱されて液化される。このとき、樹脂材料の材質によっては、数ポアズ程度まで粘度が低下するものもある。一般に、粘度の低下に応じて樹脂材料の流動性は増加する。このため、毛細管現象により導電性基材14a内に樹脂材料が過剰に染み込んだり(基材への濡れの進行)、樹脂材料に加える圧力が過剰に高くなって、導電性基材14a内の広領域に前記樹脂材料が拡散したりすることがある。   At the time of frame forming, the resin material is heated and liquefied at a temperature higher than its melting point. At this time, depending on the material of the resin material, the viscosity may be reduced to about several poises. Generally, the fluidity of the resin material increases as the viscosity decreases. For this reason, the resin material soaks into the conductive base material 14a excessively due to capillary action (progress of wetting to the base material), or the pressure applied to the resin material becomes excessively high, resulting in a wide area in the conductive base material 14a. The resin material may diffuse into the region.

一般に、多孔質構造を有する部材への毛細管内への濡れ(染み込み)は、下記式に従うことが知られている(例えば、日本化学会編、コロイド科学III−生体コロイド及びコロイドの応用−第1版1996参照)。
ΔP=2γLcosθ/r
In general, it is known that wetting (soaking) into a capillary tube into a member having a porous structure follows the following formula (for example, the Chemical Society of Japan, Colloid Science III-Application of biological colloids and colloids-No. 1 Edition 1996).
ΔP = 2γLcosθ / r

ここで、ΔPは、毛細管内へ液体が進入する圧力を示している。ΔPが正のときは、毛細管内へ液体が侵入し、ΔPが負のときは、毛細管内から液体が押し出される。また、γLは液体の表面張力を示し、rは毛細管の半径を示し、θは液体と毛細管壁との接触角(本第1実施形態では、液化した樹脂材料と導電性基材14aとの接触角)を示している。
前記式より、毛細管内への液体の浸入を抑えるには、ΔPが負であり、cosθ<0、θ>90°であることが必要であることが分かる。
Here, ΔP indicates the pressure at which the liquid enters the capillary tube. When ΔP is positive, the liquid enters the capillary, and when ΔP is negative, the liquid is pushed out from the capillary. ΓL represents the surface tension of the liquid, r represents the radius of the capillary tube, θ represents the contact angle between the liquid and the capillary wall (in the first embodiment, the contact between the liquefied resin material and the conductive substrate 14a). Corner).
From the above equation, it can be seen that ΔP is negative and cos θ <0, θ> 90 ° is necessary to suppress the intrusion of the liquid into the capillary tube.

前記樹脂材料の導電性基材14aへの過剰な染み込み(濡れの過剰進行)は、導電性基材14aの表面エネルギーが大きく、接触角が90°よりも小さいために発生すると考えられる。一方、導電性基材14aの空隙率が大きい場合には、枠体成形時において、樹脂材料に加える圧力を適切に制御しないと、樹脂材料の導電性基材14a内での拡散が促進されてしてしまう。   It is considered that excessive penetration of the resin material into the conductive base material 14a (excessive progress of wetting) occurs because the surface energy of the conductive base material 14a is large and the contact angle is smaller than 90 °. On the other hand, when the porosity of the conductive base material 14a is large, the diffusion of the resin material in the conductive base material 14a is promoted unless the pressure applied to the resin material is appropriately controlled during frame forming. Resulting in.

従って、樹脂材料の導電性基材14aへの過剰な染み込みを抑えるには、導電性基材14aの表面エネルギーを低くしたり、導電性基材14aの空隙率を低くしたりすることが有効であると考えられる。   Therefore, in order to suppress excessive penetration of the resin material into the conductive base material 14a, it is effective to reduce the surface energy of the conductive base material 14a or to lower the porosity of the conductive base material 14a. It is believed that there is.

本第1実施形態においては、導電性基材14aに撥水材料及び導電性カーボンを混合することにより樹脂染み込み規制部15を構成しているので、導電性基材14aの空隙率を低くすることができる。また、撥水材料には、導電性基材14aの表面エネルギーを低くする効果がある。従って、樹脂材料の導電性基材14aへの染み込みを効果的に抑えることができる。   In the first embodiment, since the resin soaking restriction portion 15 is configured by mixing the water repellent material and the conductive carbon with the conductive base material 14a, the porosity of the conductive base material 14a is reduced. Can do. Further, the water repellent material has an effect of reducing the surface energy of the conductive base material 14a. Therefore, the penetration of the resin material into the conductive base material 14a can be effectively suppressed.

なお、本第1実施形態においては、導電性基材14aに撥水材料及び導電性カーボンを混合することにより樹脂染み込み規制部15を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、導電性基材14aに導電性カーボンのみを混合して樹脂染み込み規制部15を構成してもよい。この場合、混合した導電性カーボンの量に応じて、導電性基材14aの空隙率を低くすることができ、樹脂材料の導電性基材14aへの染み込みを抑えることができる。   In the first embodiment, the resin soaking restriction portion 15 is configured by mixing the water repellent material and the conductive carbon with the conductive base material 14a. However, the present invention is not limited to this. For example, the resin soaking restriction unit 15 may be configured by mixing only conductive carbon into the conductive base material 14a. In this case, the porosity of the conductive base material 14a can be lowered according to the amount of mixed conductive carbon, and the penetration of the resin material into the conductive base material 14a can be suppressed.

また、導電性基材14aに撥水材料のみを混合することにより樹脂染み込み規制部15を構成してもよい。この場合、混合した撥水材料の量に応じて、導電性基材14aの空隙率を低くすることができ、かつ、導電性基材14aの表面エネルギーを低くすることができる。これにより、樹脂材料の導電性基材14aへの染み込みをさらに効果的に抑えることができる。   Moreover, you may comprise the resin penetration control part 15 by mixing only a water repellent material with the electroconductive base material 14a. In this case, according to the amount of the mixed water repellent material, the porosity of the conductive substrate 14a can be lowered, and the surface energy of the conductive substrate 14a can be lowered. Thereby, the penetration of the resin material into the conductive base material 14a can be further effectively suppressed.

また、導電性基材14aに撥水材料及び導電性カーボンとは別の部材を混合することにより樹脂染み込み規制部15を構成してもよい。当該部材としては、各部材と化学反応しないものであり、加熱された樹脂材料の熱により溶出しないものであり、かつ、触媒層13を傷つけないように柔軟性があるものであることが好ましい。このような部材の一例としては、フッ素系ゴム材料が挙げられる。   Further, the resin soaking restriction portion 15 may be configured by mixing a member different from the water repellent material and the conductive carbon into the conductive base material 14a. The member preferably does not chemically react with each member, does not elute due to the heat of the heated resin material, and is flexible so as not to damage the catalyst layer 13. An example of such a member is a fluorine rubber material.

また、ガス拡散層14を構成する各部材とは別の部材で樹脂染み込み規制部15を構成してもよい。   Further, the resin soaking restriction portion 15 may be constituted by a member different from each member constituting the gas diffusion layer 14.

《第2実施形態》
図9を用いて、本発明の第2実施形態にかかる膜電極接合体について説明する。図9は、本発明の第2実施形態にかかる膜電極接合体を備える膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。本第2実施形態の膜電極接合体1Aが、前記第1実施形態の膜電極接合体1と異なる点は、一方の電極層12を高分子電解質膜11と平行な方向にずらして配置している点と、当該一方の電極層12のガス拡散層14に隣接して樹脂染み込み規制部15を設けていない点である。
<< Second Embodiment >>
A membrane / electrode assembly according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a partially enlarged cross-sectional view of a membrane electrode-frame assembly including the membrane electrode assembly according to the second embodiment of the present invention. The membrane electrode assembly 1A of the second embodiment is different from the membrane electrode assembly 1 of the first embodiment in that one electrode layer 12 is shifted in a direction parallel to the polymer electrolyte membrane 11. And the point that the resin soaking restriction portion 15 is not provided adjacent to the gas diffusion layer 14 of the one electrode layer 12.

このように膜電極接合体1Aを構成した場合、膜電極接合体1Aの外縁部に隣接して枠体16を樹脂成形する際、樹脂染み込み規制部15を設けていない一方のガス拡散層14には、枠体16を構成する樹脂材料が過剰に流れ込む恐れがある。しかしながら、燃料電池における電気化学反応は、主に、一対のガス拡散層14,14が互いに対向する部分で発生する。すなわち、一対のガス拡散層14,14が互いに対向しない領域に、前記樹脂材料の染み込み部分17Aが生じたとしても、発電性能には影響しない。   When the membrane electrode assembly 1A is configured in this way, when the frame body 16 is resin-molded adjacent to the outer edge portion of the membrane electrode assembly 1A, the gas diffusion layer 14 not provided with the resin soaking restriction portion 15 is provided. The resin material constituting the frame body 16 may flow excessively. However, the electrochemical reaction in the fuel cell mainly occurs at a portion where the pair of gas diffusion layers 14 and 14 face each other. That is, even if the resin material soaked portion 17A occurs in a region where the pair of gas diffusion layers 14, 14 do not face each other, the power generation performance is not affected.

従って、本第2実施形態のように膜電極接合体1Aを構成しても、枠体16を樹脂成形する際に、ガス拡散層14への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を抑えることができる。   Therefore, even if the membrane electrode assembly 1A is configured as in the second embodiment, when the frame body 16 is resin-molded, the penetration of the resin material into the gas diffusion layer 14 is suppressed, and the power generation performance is reduced. Can be suppressed.

《第3実施形態》
図10A〜図10C、及び図11を用いて、本発明の第3実施形態にかかる膜電極接合体について説明する。図10A〜図10Cは、本発明の第3実施形態にかかる膜電極接合体の樹脂染み込み規制部の作製方法を示す模式図である。図11は、本発明の第3実施形態にかかる膜電極接合体を備える膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。
<< Third Embodiment >>
A membrane electrode assembly according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10A to 10C and FIG. FIG. 10A to FIG. 10C are schematic views showing a method for producing a resin soaking restriction part of a membrane electrode assembly according to the third embodiment of the present invention. FIG. 11 is a partially enlarged cross-sectional view of a membrane electrode-frame assembly including a membrane electrode assembly according to the third embodiment of the present invention.

本第3実施形態の膜電極接合体1Bが、前記第1実施形態の膜電極接合体1と異なる点は、樹脂染み込み規制部15Aに含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が、外縁側領域よりもガス拡散層14の近傍の内縁側領域の方が大きくなるように構成した点である。   The membrane electrode assembly 1B of the third embodiment is different from the membrane electrode assembly 1 of the first embodiment in that the weight per unit area of the water repellent material and the conductive carbon contained in the resin soaking restriction portion 15A is This is the point that the inner edge side region in the vicinity of the gas diffusion layer 14 is larger than the edge side region.

具体的には、以下のようにして、樹脂染み込み規制部15Aを作製している。
まず、図10Aに示すように、2段の凸部を備える凸型治具37を、断面矩形の導電性基材14aに押し付けて、導電性基材14aの外縁部を圧縮する。これにより、図10Bに示すように、導電性基材14aの外縁部が凸型治具37の形状に応じて変形する。
Specifically, the resin soaking restriction part 15A is produced as follows.
First, as shown in FIG. 10A, a convex jig 37 having two-step convex portions is pressed against the conductive base material 14a having a rectangular cross section to compress the outer edge portion of the conductive base material 14a. Thereby, as shown in FIG. 10B, the outer edge portion of the conductive base material 14 a is deformed according to the shape of the convex jig 37.

次いで、図10Cに示すように、前記変形により形成された空間部と導電性基材14aの表面とに、前記撥水カーボン層用インクを塗布する。このとき、当該インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、コート法、スプレー法、及びインクジェット法等を利用することができる。
次いで、前記撥水カーボン層用インクを塗布した導電性基材14aを焼成する。このときの焼成温度は、例えば約325℃であり、焼成時間は、例えば1時間である。
以上の各工程を実行することにより、樹脂染み込み規制部15Aの内縁側領域に含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が、樹脂染み込み規制部15Aの外縁側領域よりも大きくなるように樹脂染み込み規制部15Aを作製することができる。
Next, as shown in FIG. 10C, the water repellent carbon layer ink is applied to the space formed by the deformation and the surface of the conductive substrate 14a. At this time, as a method for applying the ink, a screen printing method, a coating method, a spray method, an ink jet method, or the like can be used.
Next, the conductive base material 14a coated with the water repellent carbon layer ink is baked. The firing temperature at this time is, for example, about 325 ° C., and the firing time is, for example, 1 hour.
By performing each of the above steps, the resin weight is increased so that the weight per unit area of the water repellent material and the conductive carbon contained in the inner edge side region of the resin soaking restriction portion 15A is larger than that of the outer edge side region of the resin soaking restriction portion 15A. The soaking restriction part 15A can be produced.

前記のようにして作製した樹脂染み込み規制部15Aに隣接して枠体16を樹脂成形した場合には、図11に示すようになる。すなわち、撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が少ない樹脂染み込み規制部15Aの外縁側領域には、加熱により溶融した樹脂材料が染み込んだ染み込み部分17が発生する。一方、撥水材料及び導電性カーボンの目付重量が多い樹脂染み込み規制部15Aの内縁側領域では、加熱により溶融した樹脂材料の染み込みが抑えられる。これにより、ガス拡散層14への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を従来よりも抑えることができる。また、樹脂染み込み規制部15の外周側領域には前記樹脂材料が染み込むので、樹脂染み込み規制部15と枠体16とは隙間無く強固に接合されることができる。   FIG. 11 shows the case where the frame 16 is resin-molded adjacent to the resin soaking restriction portion 15A produced as described above. That is, in the outer edge side region of the resin soaking restriction portion 15A where the weight of the water repellent material and the conductive carbon is small, the soaking portion 17 soaked with the resin material melted by heating is generated. On the other hand, in the inner edge side region of the resin soaking restriction portion 15A where the water repellent material and the conductive carbon are large in weight, soaking of the resin material melted by heating is suppressed. Thereby, permeation of the resin material into the gas diffusion layer 14 can be suppressed, and a decrease in power generation performance can be suppressed as compared with the conventional case. Further, since the resin material soaks into the outer peripheral side region of the resin soaking restriction portion 15, the resin soaking restriction portion 15 and the frame body 16 can be firmly joined without a gap.

なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記第3実施形態では、2段の凸部を備える凸型治具を用いて導電性基材14aを変形させることにより、樹脂染み込み規制部15Aの内縁側領域と外縁側領域とに含まれる撥水材料及び導電性カーボンの目付重量を変えるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、樹脂染み込み規制部15Aの内縁側領域のみに撥水材料又は導電性カーボンを充填することで、樹脂染み込み規制部15Aを作製してもよい。また、樹脂染み込み規制部15Aの外縁部から内縁部に向けて徐々に撥水材料又は導電性カーボンの目付重量が増加するように樹脂染み込み規制部15Aを構成してもよい。   In addition, this invention is not limited to said each embodiment, It can implement in another various aspect. For example, in the third embodiment, the conductive base material 14a is deformed by using a convex jig having a two-step convex portion, so that it is included in the inner edge side region and the outer edge side region of the resin soaking restriction portion 15A. The weight per unit area of the water repellent material and the conductive carbon is changed, but the present invention is not limited to this. For example, the resin soaking restriction portion 15A may be produced by filling only the inner edge side region of the resin soaking restriction portion 15A with a water repellent material or conductive carbon. Further, the resin soaking restriction portion 15A may be configured so that the weight per unit area of the water repellent material or the conductive carbon gradually increases from the outer edge portion to the inner edge portion of the resin soaking restriction portion 15A.

また、前記第1実施形態では、図2に示すように、樹脂染み込み規制部15の厚さをガス拡散層14の厚さと同じにしたが、本発明はこれに限定されない。図12に示すように、樹脂染み込み規制部15Bの厚さを撥水カーボン層14bの厚さより大きく設定すれば、従来よりもガス拡散層14への樹脂材料の染み込みを抑えることができる。また、図12に示すように、樹脂染み込み規制部15Bの厚さをガス拡散層14の厚さ以下に設定すれば、従来のように導電性基材14aの一部の厚さを高くするような必要がなく、導電性基材14aの作製が容易である。なお、ここでいう樹脂染み込み規制部15の厚さとは、ガス拡散層14への樹脂材料の染み込みを規制するために、撥水材料又は導電性カーボンを混合した領域の高さ(図12の上下方向)を意味する。   Moreover, in the said 1st Embodiment, as shown in FIG. 2, although the thickness of the resin penetration control part 15 was made the same as the thickness of the gas diffusion layer 14, this invention is not limited to this. As shown in FIG. 12, if the thickness of the resin soaking restriction portion 15B is set to be larger than the thickness of the water repellent carbon layer 14b, the soaking of the resin material into the gas diffusion layer 14 can be suppressed more than before. In addition, as shown in FIG. 12, if the thickness of the resin soaking restriction portion 15B is set to be equal to or less than the thickness of the gas diffusion layer 14, the thickness of a part of the conductive base material 14a is increased as in the conventional case. Therefore, it is easy to produce the conductive substrate 14a. The thickness of the resin soaking restriction portion 15 here is the height of the region where water repellent material or conductive carbon is mixed in order to restrict the soaking of the resin material into the gas diffusion layer 14 (in FIG. Direction).

また、樹脂染み込み規制部15に含まれる撥水材料又は導電性カーボンは、導電性基材14aの厚さ方向と平行な方向においては略均一に分散されている方が好ましい。これにより、ガス拡散層14への樹脂材料の染み込みを効果的に規制することができる。   Further, it is preferable that the water repellent material or the conductive carbon contained in the resin soaking restriction portion 15 is dispersed substantially uniformly in a direction parallel to the thickness direction of the conductive base material 14a. Thereby, the penetration of the resin material into the gas diffusion layer 14 can be effectively regulated.

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.

本発明にかかる膜電極接合体、膜電極−枠接合体、及び高分子電解質形燃料電池は、膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する際に、ガス拡散層への樹脂材料の染み込みを抑えて、発電性能の低下を抑えることができるので、特に、自動車などの移動体、分散発電システム、及び家庭用のコージェネレーションシステムなどに有用である。   The membrane electrode assembly, the membrane electrode-frame assembly, and the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention are formed on the gas diffusion layer when the frame body is resin-molded adjacent to the outer edge of the membrane electrode assembly. Since the penetration of the resin material can be suppressed and the decrease in power generation performance can be suppressed, it is particularly useful for a moving body such as an automobile, a distributed power generation system, and a home cogeneration system.

本発明の第1実施形態にかかる膜電極接合体の構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the membrane electrode assembly concerning 1st Embodiment of this invention. 図1に示す膜電極接合体が備えるガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の模式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a gas diffusion layer and a resin soaking restriction part included in the membrane electrode assembly shown in FIG. 1. 図2に示すガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の製造方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the gas diffusion layer and resin penetration control part which are shown in FIG. 図3Aに続く工程を示す図である。It is a figure which shows the process of following FIG. 3A. 図2に示すガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の製造方法の別の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the manufacturing method of the gas diffusion layer and resin penetration control part which are shown in FIG. 図4Aに続く工程を示す図である。It is a figure which shows the process of following FIG. 4A. 図2に示すガス拡散層及び樹脂染み込み規制部の製造方法のさらに別の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the manufacturing method of the gas diffusion layer and resin penetration control part which are shown in FIG. 図5Aに続く工程を示す図である。It is a figure which shows the process of following FIG. 5A. 図5Bに続く工程を示す図である。It is a figure which shows the process of following FIG. 5B. 図5Cに続く工程を示す図である。It is a figure which shows the process of following FIG. 5C. 図1に示す膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a frame is resin-molded adjacent to the outer edge part of the membrane electrode assembly shown in FIG. 図1に示す膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形した膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the membrane electrode-frame assembly which resin-molded the frame body adjacent to the outer edge part of the membrane electrode assembly shown in FIG. 図6Bに示す膜電極−枠接合体の一部拡大平面図である。FIG. 6B is a partially enlarged plan view of the membrane electrode-frame assembly shown in FIG. 6B. 図6Bに示す膜電極−枠接合体を挟むようにガスケットを配置した状態を示す一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view which shows the state which has arrange | positioned the gasket so that the membrane electrode-frame assembly shown to FIG. 6B may be pinched | interposed. 本発明の第1実施形態にかかる膜電極接合体を備えた高分子電解質形燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly concerning 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態にかかる膜電極接合体を模式的に示す一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view which shows typically the membrane electrode assembly concerning 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態にかかる膜電極接合体の樹脂染み込み規制部の作製方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the preparation methods of the resin penetration control part of the membrane electrode assembly concerning 3rd Embodiment of this invention. 図10Aに続く工程を示す図である。It is a figure which shows the process of following FIG. 10A. 図10Bに続く工程を示す図である。It is a figure which shows the process of following FIG. 10B. 本発明の第3実施形態にかかる膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形した膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view of the membrane electrode-frame assembly formed by resin-molding the frame body adjacent to the outer edge portion of the membrane electrode assembly according to the third embodiment of the present invention. 本発明の変形形態にかかる膜電極接合体の構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the membrane electrode assembly concerning the modification of this invention. 従来の膜電極接合体の構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the conventional membrane electrode assembly. 従来の膜電極接合体の外縁部に隣接して枠体を樹脂成形した膜電極−枠接合体の一部拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the membrane electrode-frame assembly which resin-molded the frame body adjacent to the outer edge part of the conventional membrane electrode assembly. 図14Aに示す膜電極−枠接合体の一部拡大平面図である。FIG. 14B is a partially enlarged plan view of the membrane electrode-frame assembly shown in FIG. 14A.

符号の説明Explanation of symbols

1,1A,1B,1C 膜電極接合体
2 膜電極−枠接合体
3 高分子電解質形燃料電池
11 高分子電解質膜
12 電極層
13 触媒層
14 ガス拡散層
14a 導電性基材
14b 撥水カーボン層
15,15A,15B 樹脂染み込み規制部
16 枠体
17 染み込み部分
18 ガスケット
19 セパレータ
19a ガス流路
20 金型
31 平板状冶具
32,34 空孔
33 円筒状冶具
35 ステージ
36 撥水カーボン層用インク
37 凸部型冶具
1, 1A, 1B, 1C Membrane electrode assembly 2 Membrane electrode-frame assembly 3 Polymer electrolyte fuel cell 11 Polymer electrolyte membrane 12 Electrode layer 13 Catalyst layer 14 Gas diffusion layer 14a Conductive substrate 14b Water-repellent carbon layer 15, 15A, 15B Resin soaking restriction part 16 Frame 17 Soaking part 18 Gasket 19 Separator 19a Gas flow path 20 Mold 31 Flat jig 32, 34 Hole 33 Cylindrical jig 35 Stage 36 Water repellent carbon layer ink 37 Convex Part jig

Claims (9)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方のガス拡散層の外縁部に隣接して配置され、加熱により溶融した樹脂材料が一部に染み込むことを許容する一方、前記樹脂材料が前記ガス拡散層に染み込まないように規制可能な樹脂染み込み規制部と、
を有し、
前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記ガス拡散層に含まれる前記撥水材料の目付重量より大きい目付重量にて前記撥水材料を含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、膜電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers facing each other across the polymer electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers facing each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
The resin material disposed adjacent to the outer edge of at least one gas diffusion layer of the pair of gas diffusion layers and allowing the resin material melted by heating to permeate in part, while the resin material is the gas diffusion layer A resin soaking regulation part that can be regulated so as not to soak into
I have a,
The gas diffusion layer has a water repellent carbon layer containing a water repellent material and conductive carbon on the surface layer portion on the catalyst layer side of the conductive substrate having a porous structure,
The resin soaking restriction part is configured to include the water repellent material in the conductive base material with a weight per unit area larger than a unit weight of the water repellent material included in the gas diffusion layer. A membrane electrode assembly that regulates penetration into the gas diffusion layer .
前記樹脂染み込み規制部の厚さは、前記撥水カーボン層の厚さより大きく、前記ガス拡散層の厚さ以下である、請求項1に記載の膜電極接合体。   2. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein a thickness of the resin soaking restriction portion is larger than a thickness of the water-repellent carbon layer and equal to or less than a thickness of the gas diffusion layer. 前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料の目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、請求項1又は2に記載の膜電極接合体。 3. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein a weight per unit area of the water-repellent material of the resin soaking restriction portion is larger in an inner edge side region near the gas diffusion layer than in an outer edge side region. 前記樹脂染み込み規制部の前記撥水材料は、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては均一に分布している、請求項1〜3のいずれか1つに記載の膜電極接合体。 The water-repellent material of the resin penetration restricting portion, in the thickness direction parallel to the direction of the gas diffusion layer is distributed to one uniform, membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3 body. 前記ガス拡散層は、多孔質構造を有する導電性基材の前記触媒層側の表層部分に、撥水材料及び導電性カーボンを含む撥水カーボン層を有し、
前記樹脂染み込み規制部は、前記導電性基材に、前記撥水カーボン層に含まれる前記導電性カーボンの目付重量より大きい目付重量にて前記導電性カーボンを含むように構成されて、前記樹脂材料の前記ガス拡散層への染みこみを規制する、請求項1〜のいずれか1つに記載の膜電極接合体。
The gas diffusion layer has a water repellent carbon layer containing a water repellent material and conductive carbon on the surface layer portion on the catalyst layer side of the conductive substrate having a porous structure,
The resin soaking restriction portion is configured to include the conductive carbon in the conductive base material with a weight per unit area larger than a unit weight of the conductive carbon included in the water-repellent carbon layer. The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4 , which regulates soaking into the gas diffusion layer.
前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンの目付重量は、前記ガス拡散層の近傍の内縁側領域の方が外縁側領域よりも大きい、請求項に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 5 , wherein a weight per unit area of the conductive carbon of the resin soaking restriction portion is larger in an inner edge side region near the gas diffusion layer than in an outer edge side region. 前記樹脂染み込み規制部の前記導電性カーボンは、前記ガス拡散層の厚さ方向と平行な方向においては均一に分布している、請求項又はに記載の膜電極接合体。 The conductive carbon of the resin penetration restricting portion, in the thickness direction parallel to the direction of the gas diffusion layer is distributed to an equalizing membrane electrode assembly according to claim 5 or 6. 請求項1〜のいずれか1つに記載の膜電極接合体と、
前記樹脂染み込み規制部の外縁部に隣接して配置された、前記樹脂材料で形成される枠体と、を有し、
前記樹脂染み込み規制部の前記一部に前記枠体の前記樹脂材料が染み込んでいる、膜電極−枠接合体。
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7 ,
A frame formed of the resin material, disposed adjacent to the outer edge of the resin soaking restriction portion,
The membrane electrode-frame assembly, wherein the resin material of the frame body is infiltrated into the part of the resin soaking restriction portion.
請求項に記載の膜電極−枠接合体と、
前記膜電極−枠接合体を挟んで対向するように配置された一対のセパレータと、
を有する、高分子電解質形燃料電池。
The membrane electrode-frame assembly according to claim 8 ,
A pair of separators arranged to face each other across the membrane electrode-frame assembly;
A polymer electrolyte fuel cell.
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