JP6120674B2 - Solid polymer fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、これを用いた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に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane-catalyst layer assembly with a reinforcing sheet, an electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet, and a solid polymer fuel cell using the same.
燃料電池は、電解質膜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、電解質膜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 membrane 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 a low resistance of the electrolyte membrane. In addition, since it uses a highly active catalyst, it can obtain a high output even in a small size, as a home cogeneration system, etc. Early commercialization is expected.
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
しかしながら、上記補強膜を使用した固体高分子形燃料電池は、補強膜の内周縁部をガス拡散層上に配置させているため、ガス拡散層上に補強膜の厚さ分だけ段差ができてしまう。このため、ガス拡散層上に設置するセパレータは、ガス拡散層との接触が不均一となり、ガス拡散層からの集電効率が低下するといった問題が生じる。 However, in the polymer electrolyte fuel cell using the reinforcing membrane, the inner peripheral edge of the reinforcing membrane is arranged on the gas diffusion layer, so that a step is formed on the gas diffusion layer by the thickness of the reinforcing membrane. End up. For this reason, the separator installed on the gas diffusion layer becomes non-uniform in contact with the gas diffusion layer, resulting in a problem that current collection efficiency from the gas diffusion layer is reduced.
そこで、本発明は、ガス拡散層上の補強膜の厚さ分の段差によるセパレータとガス拡散層との接触の不均一によって集電効率が低下するという問題が生じない固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell that does not cause a problem that current collection efficiency decreases due to uneven contact between the separator and the gas diffusion layer due to a step corresponding to the thickness of the reinforcing film on the gas diffusion layer. The issue is to provide.
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、固体高分子電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部を有する枠状の補強シートであって、前記開口部から前記触媒層が外周縁部を除いて露出するよう、前記触媒層の前記外周縁部上に溶着されている補強シートと、前記補強シートの開口部内のみであって、前記補強シートの前記触媒層の前記外周縁部上の部分の厚みよりも厚く、前記各触媒層上に形成されたガス拡散層と、前記触媒層及びガス拡散層を有する各電極の周囲を囲むように前記各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、前記各補強シートは、少なくとも2層以上で構成されている。 A solid polymer fuel cell according to the present invention is made to solve the above-described problems, and includes a solid polymer electrolyte membrane, catalyst layers formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane, A frame-shaped reinforcing sheet having an opening in the center, which is installed on both surfaces of an electrolyte membrane-catalyst layer assembly comprising a catalyst layer, and the catalyst layer is exposed from the opening except for the outer peripheral edge. The reinforcing sheet welded on the outer peripheral edge of the catalyst layer, and the thickness of the portion of the reinforcing sheet on the outer peripheral edge only in the opening of the reinforcing sheet. thick, said each catalyst layer gas diffusion layer formed on a gasket disposed respectively on each reinforcing sheet so as to surround the periphery of each electrode with the catalyst layer and the gas diffusion layer, wherein each of the electrodes and On gasket Comprising a separator disposed respectively, and each reinforcing sheet is composed of at least two layers.
このように、構成された固体高分子形燃料電池は、ガス拡散層は補強シートの開口部内に形成されており、ガス拡散層上には補強シートは載置されていない。したがって、ガス拡散層上は段差が無い平坦な面を形成しており、ガス拡散層上に設置されたセパレータは、ガス拡散層と均一に接触し、集電効率が低下するという問題が生じることがない。 Thus, a polymer electrolyte fuel cell is configured, the gas diffusion layer is formed in the opening of the reinforcing sheet, the reinforcing sheet is on the gas diffusion layer is not placed. Therefore, a flat surface without a step is formed on the gas diffusion layer, and the separator installed on the gas diffusion layer is in uniform contact with the gas diffusion layer, resulting in a problem that the current collection efficiency is lowered. There is no.
本発明によれば、ガス拡散層上の補強膜の厚さ分の段差によるセパレータとガス拡散層との接触の不均一によって集電効率が低下するという問題が生じない固体高分子形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a solid polymer fuel cell that does not cause a problem that current collection efficiency is reduced due to uneven contact between the separator and the gas diffusion layer due to a step corresponding to the thickness of the reinforcing film on the gas diffusion layer. Can be provided.
以下、本発明に係る補強シート付き電解質膜−触媒層接合体、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-catalyst layer assembly with a reinforcing sheet, 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の上面及び下面に電解質膜2よりも一回り小さい平面視矩形状の触媒層3が形成されている。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
そして、この電解質膜−触媒層接合体10の上面及び下面に、中央に開口部41を有する枠状の補強シート4がそれぞれ溶着されている。補強シート4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42と、電解質膜−触媒層接合体10と溶着する溶着層43とから構成されており、溶着層43が電解質膜−触媒層接合体10側に向けられている。このガスバリア層42の膜厚は、5〜50μmとすることが好ましく、溶着層43の膜厚は、1〜50μmとすることが好ましい。補強シート4が電解質膜−触媒層接合体10に溶着された状態では、触媒層3がその外周縁部31を除いて補強シート4の開口部41から露出しているとともに、触媒層3の外周縁部31と電解質膜2の外周縁部21上に補強シート4が溶着されている。なお、触媒層3の外周縁から補強シート4の内周縁までの距離B(図3参照)は、1〜10mmとすることが好ましい。また、補強シート4は、電解質膜2よりも一回り大きく形成されているため、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4の外周縁部45同士が溶着されている。この補強シート4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−触媒層接合体10に補強シート4が溶着されたものが、本発明の補強シート付き電解質膜−触媒層接合体に相当する。
And the frame-
補強シート4の開口部41から露出している触媒層3上に平面視矩形状のガス拡散層5が形成されている。このガス拡散層5の外周縁から補強シート4の内周縁までの距離A(図3参照)は、0〜5mmであることが好ましい。このように、触媒層3上にガス拡散層5が形成されて電極Eを構成しており、電解質膜2の両面に電極Eが形成されたものを電解質膜−電極接合体20という。なお、本実施形態のように、電解質膜−電極接合体20に補強シート4が設置されているものが、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
そして、電極Eの周囲を囲むように枠状のガスケット6が設置されているとともに、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5と対向する領域にガス流路71が形成されている。
A frame-shaped gasket 6 is installed so as to surround the periphery of the electrode E, and a
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
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膜としては、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4は、ガスバリア層42と溶着層43から構成されているが、ガスバリア層42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43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5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ているものを使用することができ、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。 As the gasket 6, it is possible to use a gasket that has a strength sufficient to withstand heat pressing and has a gas barrier property that does not leak fuel and oxidant to the outside. For example, a polyethylene terephthalate sheet or Teflon ( (Registered trademark) sheet, silicon rubber sheet, and the like.
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
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1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(図4(b))。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。このとき、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は露出された状態となっている。
Returning to FIG. 4, the description of the method for producing the polymer electrolyte fuel cell will be continued. The transfer sheet 8 for forming a catalyst layer produced as described above is disposed so that the
次に、このようにして形成された電解質膜−触媒層接合体10に、補強シート4を取り付ける(図4(c))。この工程について図5を参照しつつ詳細に説明する。図5は、電解質膜−触媒層接合体10に補強シート4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4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4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4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4の中央部に電解質膜−触媒層接合体10の触媒層3よりも一回り小さい易除去領域44を形成する(図5(b))。なお、この易除去領域44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44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−触媒層接合体10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−触媒層接合体10の触媒層3が外周縁部31を除いて易除去領域44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−触媒層接合体10を所定位置まで移動させた後、易除去領域44の外周縁のミシン目を切断して易除去領域44を各補強シート4から取り外すことで、各補強シート4の中央部に開口部41が形成される(図5(d))。このように易除去領域44が各補強シート4から取り外されて開口部41が形成されると、電解質膜−触媒層接合体10の触媒層3が外周縁部31を除いて各開口部41から露出した状態となる。そして、この状態で補強シート4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4は、電解質膜−触媒層接合体10の触媒層3の外周縁部31や、電解質膜2の外周縁部21に溶着するとともに、補強シート4同士でも溶着する。以上の工程によって、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体が完成する(図5(e)、図4(c))。
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。上述した補強シート付き電解質膜−触媒層接合体の開口部41から露出している触媒層3上に、ガス拡散層5を熱圧着により積層形成して、補強シート付き電解質膜−電極接合体が完成する(図4(d))。そして、触媒層3及びガス拡散層5からなる電極Eの周囲を囲むように補強シート4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5と対向するように、ガス拡散層5及びガスケット6上に配置して、ガス拡散層5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で該電解質膜−電極接合体を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))。
Returning to FIG. 4, the description of the method for producing the polymer
以上のように、本実施形態では、電解質膜2の外周縁部21は、溶着された補強シート4によって拘束されているため、電解質膜2の膨張・収縮を抑制することができ、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、補強シート4は、電解質膜2の外周縁部21及び触媒層3の外周縁部31上に溶着されているが、ガス拡散層5上には載置されていない。このため、ガス拡散層5上は平坦な面を形成しており、ガス拡散層5上に設置されるセパレータ7は、ガス拡散層5と均一に接触する。したがって、セパレータ7の集電効率が低下するといった問題も生じることがない。
As described above, in the present embodiment, the outer
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4を一旦、袋体にして、電解質膜−触媒層接合体10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−触媒層接合体10の両面に、予め開口部41が形成された補強シート4を、溶着層43が電解質膜−触媒層接合体10を向くようにそれぞれ配置し、公知の溶着方法などよって電解質膜−触媒層接合体10の両面に補強シート4を溶着させて、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体を作製することもできる。
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 above-described embodiment, the manufacturing method in which the reinforcing
また、上記実施形態では、補強シート4は、ガスバリア層42と溶着層43の2層から構成されているが、3層以上であってもよい。
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5など全て平面視矩形状として説明したが、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とすることもできる。本発明に係る補強シート付き電解質膜−触媒層接合体は、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、前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部を有する枠状の補強シートと、を備え、前記各補強シートは、前記開口部から前記触媒層が外周縁部を除いて露出するよう、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おり、前記各補強シートは、少なくとも2層以上で構成されている。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、補強シートの開口部から露出された触媒層上にガス拡散層を形成することで触媒層及びガス拡散層からなる電極を構成する。そして、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する。この固体高分子形燃料電池は、まず、補強シートが、触媒層が形成されていない電解質膜の外周縁部上に溶着されているので、補強シートによって、ガスケットと触媒層との間の隙間部分に対応する電解質膜を拘束することができる。この結果、電解質膜の膨張・収縮を抑制することが可能となり、電解質膜の破損を防止することができる。さらに、補強シートは、ガス拡散層上ではなく触媒層の外周縁部上に溶着されている。このため、ガス拡散層上面は段差がない平坦な面を形成しており、ガス拡散層上に設置されるセパレータは、ガス拡散層と均一に接触してその集電効率が低下するという問題が生じることがない。なお、上記補強シートは枠状であるが、この「枠状」とは、平面視矩形状の枠や、平面視円形状の枠等も含む概念である。上記補強シート付き電解質膜−触媒層接合体は種々の構成をとることができ、例えば、上記補強シートは、電解質膜−触媒層接合体に溶着された溶着層と、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を有し、前記溶着層が前記電解質膜−触媒層接合体側を向くように配置されていることが好ましい。このように、補強シートをガスバリア層と溶着層との2層構造とすることで、外部へのガス漏れをより確実に防止できる。なお、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ことが好ましい。従来は、ガスケットを設置するために、電極よりもある程度大きい電解質膜を使用し、電極が形成されていない電解質膜の外周縁部にガスケットを設置していた。これに対して、電解質膜よりも一回り大きい補強シートを使用することによって、この補強シートにガスケットを設置することができる。この結果、高価な材質が使用される電解質膜を小さくすることができ、コストを低減することができる。また、本発明に係る補強シート付き電解質膜−電極接合体は、上記いずれかの補強シート付き電解質膜−触媒層接合体と、前記補強シートの開口部内であって、前記補強シートの厚みよりも厚く前記各触媒層上に形成されたガス拡散層と、を備えている。このように構成された補強シート付き電解質膜−電極接合体は、まず、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配置されているので、この補強シートによって電解質膜の外周縁部が拘束され、膨張・収縮が抑制され、ひいては膨張収縮の繰り返しによって生じる電解質膜の破損を防止することができる。また、ガス拡散層は補強シートの開口部内に形成されており、ガス拡散層上には補強シートは載置されていない。したがって、ガス拡散層上は段差が無い平坦な面を形成しており、ガス拡散層上にセパレータを設置した場合、ガス拡散層とセパレータとは均一に接触し、集電効率が低下するという問題が生じることがない。また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上記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各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、を備えている。このように、構成された固体高分子形燃料電池は、まず、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配置されているので、この補強シートによって電解質膜の外周縁部が拘束され、膨張・収縮が抑制され、ひいては膨張収縮の繰り返しによって生じる電解質膜の破損を防止することができる。また、ガス拡散層は補強シートの開口部内に形成されており、ガス拡散層上には補強シートは載置されていない。したがって、ガス拡散層上は段差が無い平坦な面を形成しており、ガス拡散層上に設置されたセパレータは、ガス拡散層と均一に接触し、集電効率が低下するという問題が生じることがない。
In the above embodiment, 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)
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 1
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、膜厚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 transfer sheet 8 for forming a catalyst layer was produced in the following manner. First, 2 g of platinum catalyst-supported carbon (platinum support amount: 45.7 wt%, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC10E50E), 1-butanol 10 g, 3-butanol 10 g, fluororesin (5 wt% Nafion binder, manufactured by DuPont) 20 g and 6 g of water was added, and these were stirred and mixed with a disperser to prepare an ink composition for forming a catalyst. Next, the ink was coated on a polyester film (Toray, X44, film thickness 25 μm) so that the weight of platinum after drying the catalyst layer was 0.4 mg / cm 2 to prepare a transfer sheet 8 for forming a catalyst layer. did.
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 transfer sheet 8 produced as described above was cut into a size of 60 × 60 mm, and placed on both sides of the
続いて、補強シート4を作製した。補強シート4のガスバリア層42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、膜厚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43を形成した。この補強シート4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41を形成した。そして、補強シート4を電解質膜−触媒層接合体10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4を電解質膜−触媒層接合体10に溶着し、補強シート付き電解質膜−触媒層接合体を作製した。
Subsequently, a reinforcing
さらに続いて、開口部41から露出している触媒層3上に、ガス拡散層5として、49×49mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090、厚さ280μm)を積層し、補強シート付き電解質膜−電極接合体を形成した。
Subsequently, on the
(実施例2)
実施例2の固体高分子形燃料電池は、補強シート4の材料が異なる点、電解質膜−触媒層接合体10を作製する際の熱プレスの条件が異なる点、及び補強シート4を電解質膜−触媒層接合体10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 2)
In the polymer electrolyte fuel cell of Example 2, the material of the reinforcing
なお、補強シート4の材料は、ガスバリア層42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、膜厚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、溶着層43を形成した。
The material of the reinforcing
また、電解質膜−触媒層接合体10を作製する際の熱プレスの条件を130℃、3.0MPa、120秒とし、補強シート4を電解質膜−触媒層接合体10に溶着する際の熱プレスの条件を110℃、1.0MPa、10秒とした。
Further, the hot press conditions for producing the electrolyte membrane-
(実施例3)
電解質膜−触媒層接合体10を作製する際の熱プレスの条件が異なる点、及び補強シートを電解質膜−触媒層接合体10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。なお、電解質膜−触媒層接合体10を作製する際の熱プレスの条件を130℃、3.0MPa、120秒とし、補強シート4を電解質膜−触媒層接合体10に溶着する際の熱プレスの条件を120℃、1.0MPa、10秒とした。
(Example 3)
As described above, except that the conditions of the hot press at the time of producing the electrolyte membrane-
(実施例4)
触媒層形成用転写シート8を54×54mmの大きさに切断する点以外は、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 4
An electrolyte membrane-electrode assembly with a reinforcing sheet was produced using the same material, dimensions, and manufacturing method as in Example 1 except that the transfer sheet 8 for forming a catalyst layer was cut to a size of 54 × 54 mm.
(比較例1)
補強シート4が設置されていない点以外は、上述した実施例1と同一の材料、寸法、製造方法で、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 material, dimensions, and manufacturing method as in Example 1 except that the reinforcing
(比較例2)
触媒層形成用転写シート8を50×50mmの大きさに切断する点、すなわち、補強シート4が触媒層3の外周縁部31上には載っておらず電解質膜2の外周縁部21上にのみ載っている状態である点以外は、上述した実施例1と同一の材料、寸法、製造方法で補強シート付き電解質膜−電極接合体を作製した。
(Comparative Example 2)
The point that the transfer sheet 8 for forming the catalyst layer is cut to a size of 50 × 50 mm, that is, the reinforcing
(評価方法)
実施例1〜4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、比較例2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については、ガスケット6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。この負荷変動サイクル試験の結果、実施例1の燃料電池セルは1600時間、実施例2の燃料電池セルは2000時間、実施例3及び4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はなく、また、この負荷変動サイクル試験後に電解質膜を確認したところ、電解質膜の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200時間経った時点で電圧の低下が確認され、また、この負荷変動サイクル試験実施後、比較例1及び2は電解質膜2の破損が目視により確認された。またさらに、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1〜4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及び2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、電解質膜の破損によるガスリークが観られた。
(Evaluation method)
For the electrolyte membrane-electrode assembly with reinforcing sheet of Examples 1 to 4, the electrolyte membrane-electrode assembly of Comparative Example 1, and the electrolyte membrane-electrode assembly with reinforcing sheet of Comparative Example 2, a gasket 6 and a
以上のように、実施例1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 cell of Example 1, since the durability time is increased, the problem of the electrolyte membrane breakage was solved by using the polymer electrolyte fuel cell of the present invention. Recognize.
1 固体高分子形燃料電池
2 電解質膜
21 電解質膜の外周縁部
3 触媒層
31 触媒層の外周縁部
4 補強シート
41 開口部
42 ガスバリア層
43 溶着層
45 補強シートの外周縁部
5 ガス拡散層
6 ガスケット
7 セパレータ
10 電解質膜−触媒層接合体
20 電解質膜−電極接合体
1 a solid
Claims (6)
前記電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、
前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体の両面にそれぞれ設置された、中央に開口部を有する枠状の補強シートであって、前記開口部から前記触媒層が外周縁部を除いて露出するよう、前記触媒層の前記外周縁部上に溶着されている補強シートと、
前記補強シートの開口部内のみであって、前記補強シートの前記触媒層の前記外周縁部上の部分の厚みよりも厚く、前記各触媒層上に形成されたガス拡散層と、
前記触媒層及びガス拡散層を有する各電極の周囲を囲むように前記各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、
前記各補強シートは、少なくとも2層以上で構成された、固体高分子形燃料電池。 A solid polymer electrolyte membrane;
Catalyst layers respectively formed on both surfaces of the electrolyte membrane;
A frame-shaped reinforcing sheet having an opening in the center, installed on both surfaces of the electrolyte membrane-catalyst layer assembly comprising the electrolyte membrane and the catalyst layer, wherein the catalyst layer extends from the opening to the outer peripheral edge. A reinforcing sheet welded on the outer peripheral edge of the catalyst layer so as to be exposed ,
Said be only the opening of the reinforcing sheet, larger than the thickness of the portion on the outer periphery of the catalyst layer of the reinforcing sheet, a gas diffusion layer formed on the catalyst layers,
Gaskets respectively installed on the respective reinforcing sheets so as to surround each electrode having the catalyst layer and the gas diffusion layer;
A separator installed on each of the electrodes and the gasket, and
Wherein the reinforcing sheet is composed of at least two layers, a polymer electrolyte fuel cell.
前記電解質膜の両面に触媒層を形成する工程と、
前記電解質膜及び触媒層からなる電解質膜−触媒層接合体の両面に、中央に開口部を有する枠状の補強シートであって、前記開口部から前記触媒層が外周縁部を除いて露出し、前記触媒層の前記外周縁部上に溶着されるように、補強シートを設置する工程と、
前記補強シートの開口部内のみに、前記補強シートの前記触媒層の前記外周縁部上の部分の厚みよりも厚く、前記各触媒層上にガス拡散層を形成する工程と、
前記触媒層及びガス拡散層を有する各電極の周囲を囲むように前記各補強シート上にガスケットを設置する工程と、を備え、
前記各補強シートは、少なくとも2層以上で構成された、固体高分子形燃料電池の製造方法。 A step of preparing a solid polymer electrolyte membrane;
Forming a catalyst layer on both surfaces of the electrolyte membrane;
A frame-shaped reinforcing sheet having an opening in the center on both surfaces of an electrolyte membrane-catalyst layer assembly comprising the electrolyte membrane and a catalyst layer, wherein the catalyst layer is exposed from the opening except for an outer peripheral edge portion. Installing a reinforcing sheet so as to be welded onto the outer peripheral edge of the catalyst layer ;
Forming a gas diffusion layer on each catalyst layer , which is thicker than the thickness of the portion on the outer peripheral edge of the catalyst layer of the reinforcement sheet only in the opening of the reinforcement sheet;
Providing a gasket on each reinforcing sheet so as to surround each electrode having the catalyst layer and the gas diffusion layer, and
Each of the reinforcing sheets is a method for producing a polymer electrolyte fuel cell , comprising at least two layers.
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