JP5338998B2 - Electrolyte membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜−電極接合体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。 A fuel cell is a cell in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte and generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and only water is generated during power generation. Thus, unlike the conventional internal combustion engine, it is expected to spread as a next-generation clean energy system because it does not generate environmental load gas such as carbon dioxide. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low operating temperature and low electrolyte resistance. In addition, it uses a highly active catalyst, so it can obtain high output even in a small size. Is expected to be put to practical use.
この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、この電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を順に積層している。そして、この触媒層及びガス拡散層からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している(例えば、特許文献1の図2参照)。また、ガスケットは位置精度の観点から電極の一回り外側を囲むように設置されているため、ガスケットと電極との間には隙間が形成されており、この隙間部分に対応する電解質膜は、電極またはガスケットのどちらにも押さえられていない状態となっている。ここで、上記固体高分子形燃料電池で発電・非発電を繰り返すと、電解質膜は、湿潤状態と乾燥状態とを繰り返すが、この上記隙間部分に対応する電解質膜は、電極またはガスケットで押さえられていないため、膨張と収縮が繰り返される。この結果電解質膜に応力が生じて疲労してしまい、電解質膜が破損してしまうといった問題があった。 This polymer electrolyte fuel cell uses a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity, and a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially laminated on both surfaces of the electrolyte membrane. And it has the structure which has arrange | positioned the gasket so that the circumference | surroundings of the electrode which consists of this catalyst layer and a gas diffusion layer may be enclosed, and also this was pinched | interposed with the separator (for example, refer FIG. 2 of patent document 1). Further, since the gasket is installed so as to surround the outer side of the electrode from the viewpoint of positional accuracy, a gap is formed between the gasket and the electrode, and the electrolyte membrane corresponding to this gap portion is an electrode. It is in a state where it is not pressed by either of the gaskets. Here, when power generation / non-power generation is repeated in the polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane repeats a wet state and a dry state, but the electrolyte membrane corresponding to the gap is pressed by an electrode or a gasket. Therefore, expansion and contraction are repeated. As a result, there is a problem that stress is generated in the electrolyte membrane and fatigues, and the electrolyte membrane is damaged.
この問題を解消するため、例えば特許文献1に開示された固体高分子形燃料電池は、電極とガスケットとの間の隙間に補強膜をさらに設けている。この補強膜は、ガスケットと同様に中央部に開口部を有する枠状に形成されており、その外周縁部がガスケットと電解質膜との間に挟まれており、その内周縁部は、セパレータとガス拡散層との間に挟まれている。このように、特許文献1の固体高分子形燃料電池は、補強膜によって、ガスケットと電極との間の隙間部分を拘束し、電解質膜の膨張・収縮を抑制している。 In order to solve this problem, for example, the polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1 further includes a reinforcing film in a gap between the electrode and the gasket. This reinforcing membrane is formed in a frame shape having an opening at the center portion, like the gasket, and its outer peripheral edge is sandwiched between the gasket and the electrolyte membrane, and its inner peripheral edge is separated from the separator. It is sandwiched between the gas diffusion layers. As described above, the polymer electrolyte fuel cell of Patent Document 1 restrains the expansion / contraction of the electrolyte membrane by restraining the gap between the gasket and the electrode by the reinforcing membrane.
しかしながら、上記固体高分子形燃料電池の補強膜は、ポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂などのポリオレフィン系樹脂からなる単一の層から構成されているため、ガスバリア性が十分でないといった問題がある。 However, since the reinforcing membrane of the polymer electrolyte fuel cell is composed of a single layer made of polyolefin resin such as polypropylene resin or polyethylene resin, there is a problem that gas barrier properties are not sufficient.
そこで、本発明は、十分なガスバリア性を有しつつ、電解質膜の破損を防止することのできる、補強シート付き電解質膜−電極接合体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention provides an electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet and a solid polymer fuel cell using the same, which can prevent damage to the electrolyte membrane while having sufficient gas barrier properties. Is an issue.
本発明に係る補強シート付き電解質膜−電極接合体は、上記課題を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜と、前記電解質膜の外周縁部を除いた両面にそれぞれ形成された触媒層と、前記各触媒層上にそれぞれ形成されたガス拡散層と、前記電解質膜、触媒層及びガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体の両面にそれぞれ溶着され、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層と前記電解質膜−電極接合体と溶着する溶着層とを有する、補強シートと、を備え、前記各補強シートは、中央に開口部を有した枠状であって、前記開口部からガス拡散層が外周縁部を除いて露出するよう、前記ガス拡散層の外周縁部及び前記電解質膜の外周縁部上に溶着されている。 The electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet according to the present invention is made to solve the above-described problems, and is formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane and the outer peripheral edge of the electrolyte membrane. A catalyst layer, a gas diffusion layer formed on each of the catalyst layers, and an electrolyte membrane-electrode assembly comprising the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer, respectively. A reinforcing sheet having a gas barrier layer for preventing gas permeation and a welding layer to be welded to the electrolyte membrane-electrode assembly, each reinforcing sheet having a frame shape having an opening in the center. The gas diffusion layer is welded onto the outer peripheral edge of the gas diffusion layer and the outer peripheral edge of the electrolyte membrane so that the gas diffusion layer is exposed from the opening except for the outer peripheral edge.
このように構成された補強シート付き電解質膜−触媒層接合体は、通常、固体高分子形燃料電池として使用される。この場合は、触媒層及びガス拡散層からなる電極の周囲を囲むように補強シート上にガスケットを配置し、この電極及びガスケット上をセパレータを配置することで、固体高分子形燃料電池を構成する。この固体高分子形燃料電池は、触媒層が形成されていない電解質膜の外周縁部に補強シートが溶着されている。このため、触媒層とガスケットとの間の隙間部分に対応する電解質膜は、補強シートによって拘束されている。よって、電解質膜は、膨張・収縮が抑制されて、破損を防止することができる。また、この固体高分子形燃料電池を発電させるためには、一方のセパレータのガス流路から燃料ガスを、他方のセパレータのガス流路から酸化剤ガスを供給するが、ガス拡散層の外周縁部に一部が溶着されている補強シートは、その上面、すなわち、燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されてくるセパレータ側にガスバリア層を有しているため、燃料ガス及び酸化剤ガスが補強シートを介して外部に漏れてしまうといった問題を解消することができる。 The electrolyte membrane-catalyst layer assembly with a reinforcing sheet thus configured is usually used as a polymer electrolyte fuel cell. In this case, a polymer electrolyte fuel cell is configured by arranging a gasket on the reinforcing sheet so as to surround the periphery of the electrode composed of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and arranging the separator on the electrode and the gasket. . In this polymer electrolyte fuel cell, a reinforcing sheet is welded to the outer peripheral edge of an electrolyte membrane in which a catalyst layer is not formed. For this reason, the electrolyte membrane corresponding to the gap portion between the catalyst layer and the gasket is restrained by the reinforcing sheet. Therefore, the electrolyte membrane can be prevented from being damaged by suppressing expansion and contraction. In addition, in order to generate power in this polymer electrolyte fuel cell, fuel gas is supplied from the gas flow path of one separator and oxidant gas is supplied from the gas flow path of the other separator. Since the reinforcing sheet partially welded to the part has a gas barrier layer on the upper surface thereof, that is, the separator side to which fuel gas or oxidant gas is supplied, the fuel gas and oxidant gas are reinforced. It is possible to solve the problem of leaking outside through the.
上記補強シート付き電解質膜−電極接合体は、種々の構成をとることができるが、例えば、上記ガスバリア層は、そのガスバリア性の観点からポリエステル系樹脂とすることが好ましい。 The electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet can have various configurations. For example, the gas barrier layer is preferably a polyester resin from the viewpoint of gas barrier properties.
また、上記溶着層は、溶着性の観点からポリオレフィン系樹脂とすることが好ましく、その中でも酸変性ポリオレフィン系樹脂とすることが絶縁性の点でより好ましい。また、さらに酸変性ポリオレフィン系樹脂の中でも、不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリエチレンとすることにより絶縁性が向上するため好ましい。 The weld layer is preferably a polyolefin resin from the viewpoint of weldability, and among them, an acid-modified polyolefin resin is more preferable from the viewpoint of insulation. Further, among the acid-modified polyolefin resins, it is preferable to use polyethylene graft-modified with an unsaturated carboxylic acid because the insulating property is improved.
また、溶着層を不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリプロピレンとすることも耐熱性、絶縁性の点から好ましい。 In addition, it is also preferable from the viewpoint of heat resistance and insulation that the weld layer is polypropylene graft-modified with an unsaturated carboxylic acid.
また、上記補強シートは、電解質膜よりも一回り大きく形成されており、電解質膜よりも外側に位置する外周縁部同士が溶着しているように構成することが好ましい。このように構成することで、従来、電解質膜上に設置していたガスケットを、補強シート上に設置することができる。このため、高価な材料が使用される電解質膜を小さくすることが可能となり、コストを低減することができる。 Further, the reinforcing sheet is preferably formed so as to be slightly larger than the electrolyte membrane, and the outer peripheral edge portions located outside the electrolyte membrane are welded to each other. By comprising in this way, the gasket conventionally installed on the electrolyte membrane can be installed on a reinforcement sheet. For this reason, it becomes possible to make small the electrolyte membrane in which an expensive material is used, and cost can be reduced.
本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記のいずれかの補強シート付き電解質膜−電極接合体と、前記触媒層及びガス拡散層からなる各電極の周囲を囲むように前記補強シート上にそれぞれ設置されたガスケットと、前記電極及びガスケット上にそれぞれ設置されるセパレータと、を備えている。 A polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is made to solve the above-described problems, and includes any one of the above electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet, the catalyst layer, and the gas diffusion layer. Gaskets installed on the reinforcing sheet so as to surround each electrode, and separators installed on the electrodes and the gasket, respectively.
このように構成されることで、以下のような効果を得ることができる。すなわち、触媒層とガスケットとの間の隙間部分に対応する電解質膜が補強シートによって拘束されているため、膨張・収縮を抑制することができ、その結果、電解質膜の破損を防止することができる。また、補強シートはガスバリア層と溶着層との2層から構成されており、ガスバリア層がセパレータ側に設置されているため、各セパレータのガス流路から各ガス拡散層に供給される燃料ガスや酸化剤ガスが補強シートを透過するのを防止でき、燃料ガスや酸化剤ガスが補強シートを介して外部に漏れるのを防止することができる。 By being configured in this way, the following effects can be obtained. That is, since the electrolyte membrane corresponding to the gap portion between the catalyst layer and the gasket is constrained by the reinforcing sheet, expansion / contraction can be suppressed, and as a result, damage to the electrolyte membrane can be prevented. . In addition, the reinforcing sheet is composed of two layers, a gas barrier layer and a welding layer, and the gas barrier layer is disposed on the separator side, so that the fuel gas supplied from the gas flow path of each separator to each gas diffusion layer and Oxidant gas can be prevented from permeating through the reinforcing sheet, and fuel gas and oxidant gas can be prevented from leaking outside through the reinforcing sheet.
本発明によれば、十分なガスバリア性を有しつつ、電解質膜の破損を防止することのできる、補強シート付き電解質膜−電極接合体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。 According to the present invention, there are provided an electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet and a solid polymer fuel cell using the same, which can prevent damage to the electrolyte membrane while having sufficient gas barrier properties. Is an issue.
以下、本発明に係る補強シート付き電解質膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の正面断面図、図2は本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の平面図、図3は、補強シート付き電解質膜−電極接合体の外周縁部の詳細を示す拡大正面断面図である。なお、図2において、説明を分かりやすくするため、セパレータ及びガスケットの記載を省略している。 Hereinafter, embodiments of an electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet and a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a front sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment, FIG. 2 is a plan view of the polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment, and FIG. 3 is an electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet. It is an expanded front sectional view which shows the detail of the outer periphery part. In FIG. 2, the description of the separator and the gasket is omitted for easy understanding.
図1及び図2に示すように、固体高分子形燃料電池1は、平面視矩形状の電解質膜2を備えており、電解質膜2の上面及び下面に平面視矩形状の触媒層3が電解質膜2よりも一回り小さく形成されている。この電解質膜2の両面に触媒層3が形成されたものを電解質膜−触媒層接合体10という。このように、触媒層3は電解質膜2よりも一回り小さく形成されているため、電解質膜2の外周縁部21上には触媒層3が形成されていない。なお、電解質膜2の外周縁から触媒層3の外周縁までの距離C(図3参照)は、0.1〜5mmであることが好ましい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the polymer electrolyte fuel cell 1 includes an
そして、この電解質膜−触媒層接合体10の各触媒層3上に平面視矩形状のガス拡散層4がそれぞれ形成されている。この触媒層3とガス拡散層4とにより電極Eが構成されている。ガス拡散層4は、触媒層3とほぼ同一の大きさ、若しくは触媒層3よりも一回り小さく形成されている。このガス拡散層4の外周縁から触媒層3の外周縁までの距離B(図3参照)は、0〜5mmであることが好ましい。なお、このように電解質膜−触媒層接合体10の各触媒層3上にガス拡散層4をそれぞれ形成したものを電解質膜−電極接合体20という。
A rectangular
電解質膜−電極接合体20の上面及び下面に、中央に開口部51を有する枠状の補強シート5が溶着されている。各補強シート5は、燃料電池の発電に用いられる燃料ガスや酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層52と、電解質膜−触媒層接合体10とに溶着する溶着層53とから構成されており、溶着層53が電解質膜−電極接合体20側に向けられて配置されている。ガスバリア層52の膜厚は、5〜50μmとすることが好ましく、溶着層53の膜厚は、1〜50μmとすることが好ましい。補強シート5が電解質膜−電極接合体20に溶着された状態では、ガス拡散層4がその外周縁部41を除いて補強シート5の開口部51から露出しているとともに、ガス拡散層4の外周縁部41と電解質膜2の外周縁部21、また、ガス拡散層4より触媒層3の方が大きい場合は触媒層3の外周縁部31上に、補強シート5が溶着されている。なお、ガス拡散層4の外周縁から補強シート5の内周縁までの距離A(図3参照)は、1〜10mmとすることが好ましい。また、補強シート5は、電解質膜2よりも一回り大きく形成されており、電解質膜2の外側で、電解質膜2からはみ出た各補強シート5の外周縁部55同士が溶着されている。この補強シート5の外周縁から電解質膜2の外周縁までの距離D(図3参照)は1〜100mmであることが好ましい。なお、このように、電解質膜−電極接合体20に補強シート5が溶着されたものが、本発明の補強シート付き電解質膜−電極接合体に相当する。
A frame-shaped reinforcing
そして、各電極Eの周囲を囲むように枠状のガスケット6が設置されるとともに、電極E及びガスケット6上にセパレータ7が設置されている。セパレータ7は、ガス拡散層4と対向する領域にガス流路71が形成されている。
A frame-shaped
次に上記のように構成された固体高分子形燃料電池1の各構成要素の材質について説明する。 Next, the material of each component of the polymer electrolyte fuel cell 1 configured as described above will be described.
電解質膜2は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のC−H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」(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)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常5〜60重量%程度、好ましくは20〜40重量%程度である。なお、電解質膜2の膜厚は通常20〜250μm程度、好ましくは20〜80μm程度である。また、上記の水素イオン伝導性高分子電解質膜以外には、アニオン導電性固高分子電解質膜や液状物質含浸膜も挙げられる。アニオン伝導性電解質膜としては炭化水素系樹脂又はフッ素系樹脂等が挙げられ、具体例としては炭化水素系樹脂としては、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)A201,211,221や、トクヤマ(株)製のネオセプタ(登録商標)AM−1,AHA等が挙げられ、フッ素系樹脂としては、東ソー(株)製のトスフレックス(登録商標)IE−SF34等が挙げられる。また液状物質含浸膜としては、例えばポリベンゾイミダゾール(PBI)が挙げられる。
The
触媒層3は、公知の白金含有の触媒層(カソード触媒及びアノード触媒)である。詳しくは、触媒層3は、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を含有する。触媒粒子としては、例えば、白金や白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と、白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。また、水素イオン伝導性高分子電解質としては、上述した電解質膜2に使用されるものと同じ材料を使用することができる。
The
補強シート5は、ガスバリア層52と溶着層53から構成されているが、ガスバリア層52は、水蒸気、水、燃料ガス及び酸化剤ガスに対するバリア性を有するポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルテンペン、ポリフェニレンオキサイド、ポリサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドなどを好ましく使用することができる。なお、ポリエステルは、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート等を挙げることができる。
The reinforcing
また、溶着層53の材料としては、ポリオレフィン系樹脂が好ましく、例えば、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、エチレン−α・オレフィン共重合体、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリイソブテン、ポエイソブチレン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、エチレン−メタクリル酸共重合体、あるいはエチレン−アクリル酸共重合体等のエチレンと不飽和カルボン酸との共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、アイオノマー樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体等を使用することができる。またそれらを変性した酸変性ポリオレフィン系樹脂、シラン変性ポリオレフィン系樹脂を使用することができ、その中でも不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリプロピレンもしくは不飽和カルボン酸で変性したポリエチレンを使用することが絶縁性もしくは耐熱性の点で好ましい。
The material of the
ガス拡散層4としては、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種のガス拡散層を使用でき、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層3に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。
As the
ガスケット6としては、熱プレスに耐えうる強度を保ち、かつ、外部に燃料及び酸化剤を漏出しない程度のガスバリア性を有し、例えば、ポリエチレンテレフタレートシートやテフロン(登録商標)シート、シリコンゴムシート等を例示することができる。
セパレータ7としては、公知であり、燃料電池内の環境においても安定な導電性板であればよく、一般的には、カーボン板にガス流路71を形成したものが用いられる。また、セパレータ7をステンレス等の金属により構成し、金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマーなどの導電性材料からなる被膜を形成したものや、同様にセパレータを金属によって構成し、該金属の表面に銀、白金族の複合酸化物、窒化クロム等の材料によるメッキ処理を施したもの等も使用可能である。
The
次に上述した固体高分子形燃料電池1の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図4は、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池1の製造方法を示す説明図である。 Next, a method for producing the above-described polymer electrolyte fuel cell 1 will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is an explanatory view showing a method for producing the polymer electrolyte fuel cell 1 according to this embodiment.
図4に示すように、上述した材料からなる電解質膜2を準備し、この電解質膜2の両面に触媒層形成用転写シート8を重ねて配置する。ここで触媒層形成用転写シート8とは、転写される触媒層3が転写用基材81に形成されたものである。この触媒層形成用転写シート8の製造方法について説明すると、まず、上述した触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して触媒ペーストを作製する。そして、形成される触媒層3が所望の膜厚になるように触媒ペーストを公知の方法に従い、必要に応じて離型層を介して転写用基材81上に塗工する。このとき、触媒層3が、電解質膜2よりも一回り小さい形状となるように、触媒ペーストを転写用基材81に塗工する。触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。また、上記の溶剤としては、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これらの中でもアルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、tert−ブタノール、等の炭素数1〜4の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。転写用基材81としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、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)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。さらに転写用基材81は、高分子フィルム以外にアート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙などの非塗工紙であっても良い。転写用基材81の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から通常6〜100μm程度、好ましくは10〜30μm程度とするのがよい。従って、転写用基材81としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。
As shown in FIG. 4, an
そして、触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することにより転写用基材81上に触媒層3が形成される。乾燥温度は、通常40〜100℃程度、好ましくは60〜80℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常5分〜2時間程度、好ましくは10分〜1時間程度である。
Then, after applying the catalyst paste, the
図4に戻って、固体高分子形燃料電池の製造方法について説明を続ける。上述したように作製した触媒層形成用転写シート8を触媒層3が電解質膜2に対面するように配置し(図4(a))、転写シート8の背面側から加熱プレスを施して触媒層3を電解質膜2に転写させて、転写シート8の転写用基材81を剥離する。作業性を考慮すると、触媒層3を電解質膜2の両面に同時に積層することが好ましいが片面ずつ触媒層3を形成することもできる。加熱プレスの加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常0.5〜20MPa程度、好ましくは1〜10MPa程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜2の破損、変形等を避けるために、通常200℃以下、好ましくは150℃以下がよい。このように電解質膜2の両面に触媒層3を形成することで電解質膜−触媒層接合体10が形成される(図4(b))。なお、触媒層3は、電解質膜2よりも一回り小さいため、電解質膜2の外周縁部21には触媒層3が形成されていない。
Returning to FIG. 4, the description of the method for producing the polymer electrolyte fuel cell will be continued. The
そして、電解質膜−触媒層接合体10の触媒層3上に、ガス拡散層4を熱圧着により積層形成して、電解質膜−電極接合体20が完成する(図4(c))。
Then, the
次に、このようにして形成された電解質膜−電極接合体20に、補強シート5を取り付ける(図4(d))。この工程について図5を参照しつつ説明する。図5は、電解質膜−電極接合体20に補強シート5を取り付ける工程を示した平面図である。図5に示すように、上述した材料からなる2枚の補強シート5を重ねて、1辺を残した残り3辺を互いに溶着させる。これによって、2枚の補強シート5は、コ字状に溶着部が形成されるとともに、左側の一辺が開口している袋体となる(図5(a))。なお、この溶着方法は、種々の公知の方法を採用することができ、例えば、高周波溶着や、熱風式溶着、熱板式溶着、インパルス式溶着、コテ式溶着、超音波溶着などを採用することができる。
Next, the reinforcing
補強シート5によって袋体を形成すると、次にこの袋体を構成する各補強シート5の中央部に電解質膜−電極接合体20の触媒層3よりも一回り小さい易除去領域54を形成する(図5(b))。なお、易除去領域54とは、容易に取り除ける領域のことをいい、例えば、その外周縁にミシン目を入れることや、一部だけ残して切込みを入れること等によって形成することができる。このように易除去領域54が形成された袋体に、その溶着されていない左側から、電解質膜−電極接合体20を挿入して所定位置まで移動させる(図5(c))。この所定位置とは、電解質膜−電極接合体20のガス拡散層4が外周縁部41を除いて易除去領域54に対向している位置のことをいう。
When the bag body is formed by the reinforcing
電解質膜−電極接合体20を袋体内に挿入して所定位置まで移動させた後、易除去領域54の外周縁のミシン目を切断して易除去領域54を各補強シート5から取り外すことで、各補強シート5の中央部に開口部51が形成される(図5(d))。このように易除去領域54が各補強シート5から取り除かれて開口部51が形成されると、電解質膜−電極接合体20のガス拡散層4が外周縁部41を除いて各開口部51から露出した状態となる。そして、この状態で補強シート5の溶着されていなかった残りの部分を公知の方法で溶着させることで、補強シート5は、電解質膜−電極接合体20のガス拡散層4の外周縁部41や、電解質膜2の外周縁部21に溶着するとともに、電解質膜2の外側においては補強シート5の外周縁部55同士が溶着する。以上の工程によって、補強シート付き電解質膜−電極接合体が完成する(図5(e)、図4(d))。
After the electrolyte membrane-
図4に戻って、固体高分子形燃料電池1の製造方法の説明を続ける。補強シート付き電解質膜−電極接合体の触媒層3及びガス拡散層4からなる電極Eの周囲を囲むように補強シート5上にガスケット6を配置する。そして、セパレータ7を、ガス流路71がガス拡散層4と対向するように、電極E及びガスケット6上に配置し、電極Eとセパレータ7とが電気的に接続するようにセパレータ7で挟持することによって、固体高分子形燃料電池1が完成する(図4(e))。なお、図1及び図4では、ガス拡散層4とセパレータ7とが接触していないように記載されているが、実際は、補強シート5は非常に薄膜であるため、集電できる程度にガス拡散層4とセパレータ7とは接触している。
Returning to FIG. 4, the description of the method for producing the polymer electrolyte fuel cell 1 will be continued. A
以上のように、本実施形態では、触媒層3が形成されていない電解質膜2の外周縁部21に補強シート5が設置されている。このため、触媒層3とガスケット6との間の隙間部分に対応する電解質膜2は、補強シート5によって拘束されている。よって、電解質膜2は湿潤状態及び乾燥状態の繰り返しによる膨張・収縮が抑制され、その結果、電解質膜2の破損を防止することができる。また、この固体高分子形燃料電池を発電させるためには、一方のセパレータ7のガス流路71から燃料ガスを、他方のセパレータ7のガス流路71から酸化剤ガスを供給するが、ガス拡散層4の外周縁部41に一部が載っている補強シート5は、燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されてくるセパレータ7側にガスバリア層52を有しているため、燃料ガス及び酸化剤ガスが補強シート5を介して外部に漏れてしまうといった問題を解消することができる。
As described above, in this embodiment, the reinforcing
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、補強シート5を一旦袋体にして、電解質膜−電極接合体20を挿入するという製造方法を採用しているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、電解質膜−電極接合体20の両面に、予め開口部51が形成された補強シート5を、溶着層53が電解質膜−電極接合体20を向くようにそれぞれ配置し、溶着することによって、補強シート付き電解質膜−電極接合体20を作製してもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention. For example, in the said embodiment, although the manufacturing method of once using the reinforcing
また、上記実施形態では、補強シート5は、ガスバリア層52と溶着層53の2層から構成されているが、3層以上の構成とすることもできる。例えば、ガスバリア層52と溶着層53との接着性を向上させるため、ガスバリア層52と溶着層53との間にイソシアネート系、ポリエチレンイミン系、ポリウレタン系、ポリブタジエン系等からなる接着促進層(図示省略)を形成することもできる。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、固体高分子形燃料電池1を構成する電解質膜2や触媒層3、ガス拡散層4などを全て平面視矩形状に形成しているが、特に形状は限定されるものではなく、例えば、平面視円形状に形成することもできる。
Moreover, in the said embodiment, although the
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.
(実施例1)
触媒層3とガス拡散層4とからなる電極Eを以下の要領で作製した。まず、白金触媒担持カーボン(白金担持量:45.7wt%、田中貴金属製TEC10E50E)2gに、1−ブタノール10g、3−ブタノール10g、フッ素樹脂(5wt%ナフィオンバインダー、デュポン社製)20g及び水6gを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより、触媒形成用インク組成物を調製した。次に、調製したインクをガス拡散層4であるカーボンペーパー(東レ製、TGP−H−090、厚さ280μm)に触媒層乾燥後の白金重量が0.4mg/cm2となるように塗工し、ガス拡散電極を作製した。
Example 1
An electrode E composed of the
次に、電解質膜2として、63×63mmの大きさに切断した厚さ53μmのNRE212CS(Dupont社製)を準備し、この両面にそれぞれ、60×60mmに切断した上記電極Eを触媒層3が電解質膜2を向くように中心を合わせて配置し、135℃、5.0MPa、150秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜2の両面に電極Eを形成し、電解質膜−電極接合体20を作製した。電極Eの厚さは300μmであった。なお、このときの層構成はガス拡散層4/触媒層3/電解質膜2/触媒層3/ガス拡散層4である。
Next, NRE212CS (manufactured by Dupont) having a thickness of 53 μm cut to a size of 63 × 63 mm is prepared as the
続いて、補強シート5を作製した。補強シート5のガスバリア層52として、二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、厚さ12μm)を使用した。このポリエチレンナフタレート上に、溶融押出し法により、不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを30μmの厚さで押し出し、溶着層53を形成した。この補強シート5を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部51を形成した。そして、補強シート5を電解質膜−電極接合体20の両面に中心を合わせて配置し、130℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強シート5を電解質膜−電極接合体20に溶着し、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
Subsequently, a reinforcing
(実施例2)
電解質膜2は、63×63mmの大きさに切断された膜厚53μmのNRE212CS(Dupont社製)を使用した。
(Example 2)
As the
次に、触媒層形成用転写シート8を次の要領で作製した。まず、白金触媒担持カーボン(白金担持量:45.7wt%、田中貴金属社製、TEC10E50E)2gに、1−ブタノール10g、3−ブタノール10g、フッ素樹脂(5wt%ナフィオンバインダー、デュポン社製)20g及び水6gを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより、触媒形成用インク組成物を調製した。次に、該インクをポリエステルフィルム(東レ製、X44、厚さ25μm)に触媒層乾燥後の白金重量が0.4mg/cm2となるように塗工し、触媒層形成用転写シート8を作製した。
Next, a
以上のように作製した触媒層形成用転写シート8を60×60mmの大きさに切断し、電解質膜2の両面それぞれに触媒層3が電解質膜2側を向くように中心を合わせて配置した。そして、135℃、5.0MPa、150秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜2の両面に触媒層3を形成し、電解質膜−触媒層接合体10を作製した。なお、触媒層3の厚さは20μmである。
The catalyst layer-forming
続いて、ガス拡散層4として60×60mmの大きさに切断したカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090、厚さ280μm)を準備し、電解質膜−触媒層接合体10の各触媒層3上に積層した。これにより、ガス拡散層4/触媒層3/電解質膜2/触媒層3/ガス拡散層4の層構成を有する電解質膜−電極接合体20が作製された。
Subsequently, carbon paper (TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 280 μm) cut to a size of 60 × 60 mm is prepared as the
さらに続いて、補強シート5を作製した。補強シート5のガスバリア層52として、二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、厚さ12μm)を使用した。このポリエチレンナフタレート上に、溶融押出し法により、不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを30μmの厚さで押し出し、溶着層53を形成した。この補強シート5を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部51を形成した。そして、補強シート5を電解質膜−電極接合体20の両面に中心を合わせて配置し、130℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強シート5を電解質膜−電極接合体20に溶着し、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
Subsequently, a reinforcing
(実施例3)
補強シート5の材料が異なる点、及び補強シート5を電解質膜−電極接合体20に溶着させる際の熱プレスの条件が異なる点以外は、上述した実施例1と同一の材料、寸法、製造方法で、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
(Example 3)
The same material, dimensions, and manufacturing method as in Example 1 described above, except that the material of the reinforcing
この実施例3の補強シート5について説明すると、まずガスバリア層52として、二軸延伸ポリエチレンテレフタレート(帝人社製、テフレックス、厚さ20μm)を使用した。このポリエチレンテレフタレート上に、溶融押出し法により、不飽和カルボン酸グラフト変性ポリエチレンを30μmの厚さで押し出して溶着層53を形成した。この補強シート5を電解質膜−電極接合体20の両面に中心を合わせて配置し、100℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強シート5を電解質膜−電極接合体20に溶着し、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
The reinforcing
(実施例4)
補強シート5の材料が異なる点、補強シート5を電解質膜−電極接合体20に溶着させる際の熱プレスの条件が異なる点以外は、上述した実施例2と同一の材料、寸法、製造方法で、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
Example 4
Except for the point that the material of the reinforcing
この実施例4の補強シート5について説明すると、まずガスバリア層52として、二軸延伸ポリエチレンテレフタレート(帝人社製、テフレックス、厚さ20μm)を使用した。このポリエチレンテレフタレート上に、溶融押出し法により、不飽和カルボン酸グラフト変性ポリエチレンを30μmの厚さで押し出して溶着層53を形成した。そして、補強シート5を電解質膜−電極接合体20の両面に中心を合わせて配置し、100℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強シート5を電解質膜−電極接合体20に溶着し、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
The reinforcing
(実施例5)
補強シート5のガスバリア層52としてポリイミド(東レ・デュポン社製、カプトン、厚さ13μm)を使用した点以外は、上述した実施例1と同一の材料、寸法、製造方法で、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
(Example 5)
The electrolyte membrane with a reinforcing sheet is the same material, dimensions, and manufacturing method as in Example 1 except that polyimide (manufactured by Toray DuPont, Kapton, thickness 13 μm) is used as the
(実施例6)
補強シート5のガスバリア層52としてポリイミド(東レ・デュポン社製、カプトン、厚さ13μm)を使用した点以外は、上述した実施例2と同一の材料、寸法、製造方法で、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
(Example 6)
The electrolyte membrane with a reinforcing sheet is the same material, dimensions, and manufacturing method as in Example 2 except that polyimide (manufactured by Toray DuPont, Kapton, thickness 13 μm) is used as the
(比較例1)
補強シート5が設置されていない点、電極Eのサイズが50×50mmである点以外は、上述した実施例1と同一の材料、寸法、製造方法で、電解質膜−電極接合体を作製した。
(Comparative Example 1)
An electrolyte membrane-electrode assembly was produced using the same materials, dimensions, and manufacturing method as in Example 1 except that the reinforcing
(比較例2)
補強シート5が溶着層53のみから構成されておりガスバリア層52を有していない点以外は、上述した実施例1と同一の材料、寸法、製造方法で、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。なお、この比較例2の補強シート5は、補強シート5をポリプロピレン(東レ社製、トレファン、厚さ30μm)からなる溶着層53のみで構成した。
(Comparative Example 2)
An electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet is the same material, dimensions, and manufacturing method as in Example 1 except that the reinforcing
(比較例3)
補強シート5がガスバリア層52のみから構成されており溶着層53を有していない点、及び補強シート5を電解質膜−電極接合体に溶着せずに積層している点以外は、上述した実施例1と同一の材料、製造方法で、補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。なお、この比較例3の補強シート5は、二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、厚さ12μm)のガスバリア層52のみで構成した。
(Comparative Example 3)
Except for the point that the reinforcing
(評価方法)
実施例1〜6の補強シート付き電解質膜−電極接合体、比較例1の電解質膜−電極接合体、及び比較例2,3の補強シート付き電解質膜−電極接合体について、ガスケット6及びセパレータ7を設置して固体高分子形燃料電池をそれぞれ作製して負荷変動サイクル試験を実施し、その結果を表1に示した。なお、比較例1の電解質膜−電極接合体については、ガスケットを電解質膜2の外周縁部21上に設置した。このときの測定条件は、セル温度80℃、燃料利用率70%、酸化剤利用率40%、加湿温度50℃とした。また、負荷変動サイクル試験は、電流密度0.3A/cm2にて1分間発電した後、電流密度0.01A/cm2にて1分間発電するサイクルを繰り返した。
(Evaluation method)
Regarding the electrolyte membrane-electrode assembly with reinforcing sheet of Examples 1 to 6, the electrolyte membrane-electrode assembly of Comparative Example 1, and the electrolyte membrane-electrode assembly with reinforcing sheet of Comparative Examples 2 and 3,
表1に示すように、負荷変動サイクル試験の結果、実施例1及び実施例2の燃料電池セルは1600時間、実施例3〜6の燃料電池セルは1000時間経過しても電圧が低下することなく、また、この負荷変動サイクル試験後に各燃料電池セルの電解質膜を確認したところ、いずれの電解質膜2にも破損は見られなった。一方、比較例1の燃料電池セルは300時間、比較例2の燃料電池セルは400時間経過した時点で電圧の低下が確認され、また、負荷変動サイクル試験後、比較例1及び比較例2ともに電解質膜2の破損が目視により確認された。なお、比較例3は、ガスリークが大きいために負荷変動サイクル試験による測定は不可能であり、耐久性時間は0時間となった。また負荷変動サイクル試験後のリーク電流量を測定した結果、実施例1〜6の燃料電池セルのリーク電流量は1mA/cm2以下であるのに対し、比較例1〜3の燃料電池セルのリーク電流量は20mA/cm2以上となっており、電解質膜の破損あるいは補強シート5のシール性不良によるガスリークが観られた。
As shown in Table 1, as a result of the load fluctuation cycle test, the voltage of the fuel cells of Example 1 and Example 2 decreases even after 1600 hours and the fuel cells of Examples 3 to 6 even after 1000 hours. In addition, when the electrolyte membrane of each fuel cell was confirmed after this load fluctuation cycle test, no damage was found in any
以上のように、実施例1〜6の固体高分子形燃料電池では、耐久時間の上昇がみられることから、本発明の固体高分子形燃料電池を用いると電解質膜破損の問題が解決されたことがわかる。 As described above, in the polymer electrolyte fuel cells of Examples 1 to 6, since the endurance time is increased, the problem of electrolyte membrane breakage was solved by using the polymer electrolyte fuel cell of the present invention. I understand that.
1 固体高分子形燃料電池
2 電解質膜
3 触媒層
4 ガス拡散層
5 補強シート
51 開口部
52 ガスバリア層
53 溶着層
6 ガスケット
7 セパレータ
E 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer
Claims (8)
前記電解質膜の外周縁部を除いた両面にそれぞれ形成された触媒層と、
前記各外周縁部を除いた各触媒層上にそれぞれ形成されたガス拡散層と、
前記電解質膜、触媒層及びガス拡散層からなる電解質膜−電極接合体の両面にそれぞれ溶着され、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層と前記電解質膜−電極接合体と溶着する溶着層とを有する補強シートと、を備え、
前記各補強シートは、中央に開口部を有した枠状であって、前記開口部からガス拡散層が外周縁部を除いて露出するよう、前記ガス拡散層の外周縁部、前記触媒層の外周縁部及び前記電解質膜の外周縁部上に溶着されている、補強シート付き電解質膜−電極接合体。 A solid polymer electrolyte membrane;
Catalyst layers respectively formed on both surfaces excluding the outer peripheral edge of the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer formed on each catalyst layer excluding each outer peripheral edge, and
A gas barrier layer for preventing permeation of a fuel gas and an oxidant gas and a weld for welding to the electrolyte membrane-electrode assembly, which are welded to both surfaces of the electrolyte membrane-electrode assembly comprising the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer, respectively. A reinforcing sheet having a layer,
Each of the reinforcing sheets has a frame shape having an opening in the center, and the outer peripheral edge of the gas diffusion layer and the catalyst layer are exposed from the opening except for the outer peripheral edge. An electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet, which is welded onto the outer peripheral edge and the outer peripheral edge of the electrolyte membrane.
前記触媒層及びガス拡散層からなる各電極の周囲を囲むように前記補強シート上にそれぞれ設置されたガスケットと、
前記各電極及びガスケット上にそれぞれ設置されたセパレータと、
を備えた、固体高分子形燃料電池。 An electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet according to any one of claims 1 to 7,
Gaskets respectively installed on the reinforcing sheet so as to surround each electrode composed of the catalyst layer and the gas diffusion layer;
Separators respectively installed on the electrodes and gaskets;
A solid polymer fuel cell comprising:
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