JP5301928B2 - Membrane electrode assembly, membrane electrode-frame assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
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
The fuel cell causes an electrochemical reaction by supplying a fuel gas containing hydrogen to one
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。
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
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3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4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5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1〜4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6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5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7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5又は6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8態様によれば、第1〜7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9態様によれば、第8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
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
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
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
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
Examples of the
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
また、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質は、CF2=CF−(OCF2CFX)m−OP−(CF2)n−SO3H(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、CF2=CF2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.
CF2=CFO(CF2)q−SO3H ・・・(1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r−SO3H ・・・(2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2−SO3 ・・・(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
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
The
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
前記カーボン粉末の比表面積は50〜1500m2/gであることが好ましい。カーボン粉末の比表面積が50m2/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1500m2/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、200〜900m2/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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
The
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/m2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/m2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
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
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
As described above, the resin
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
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
First, as shown in FIG. 3A, the
Next, the water repellent carbon layer ink is applied to the region of the upper surface of the
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
Next, the water repellent carbon layer ink is applied to the upper surface of the
Next, the
Next, the portion outside the resin
By performing each of the above steps, as shown in FIG. 2, the resin
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
First, as shown in FIG. 4A, the sheet of the
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
Next, the water repellent carbon layer ink is applied again on the upper surface of the
Next, the
Next, the portion outside the resin
By performing each of the above steps, as shown in FIG. 2, the resin
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
First, as shown in FIG. 5A, the lower surface of the
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
Next, the
By performing each of the above steps, as shown in FIG. 2, the resin
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 /
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
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
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
Next, the resin material constituting the
Thereafter, the resin material is solidified. Thereby, the membrane electrode-
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
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-
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
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-
One separator (anode separator) 19 is provided with a
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/cm2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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
《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
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
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
《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
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
First, as shown in FIG. 10A, a
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
Next, the
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (9)
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1〜4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.
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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