JP6368995B2 - 膜電極接合体および膜電極接合体積層体 - Google Patents

膜電極接合体および膜電極接合体積層体 Download PDF

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Description

本発明は、高分子形燃料電池を構成する膜電極接合体であって、輸送を確保し、擦れによる欠損や、保護シートを除去する際の損傷がない膜電極接合体および膜電極接合体積層体に関する。
近年、環境問題やエネルギー問題の一対策として、燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素やメタンなどの還元性ガスを、酸素や空気等の酸化性ガスにより酸化する反応において、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気を得るものである。原料となりうる物質が豊富に存在することや、発電による排出物が水のみであることから、クリーンなエネルギーとされる。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類されるが、そのうち高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての利用が期待されている。
高分子形燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極(アノード)触媒層と、他方の面に空気極(カソード)触媒層とを、対向するように設けた構造を有するが、この三層構造体、またはこれにガス拡散性かつ導電性の拡散層を両面につけた五層構造体を、膜電極接合体(MEA;membrane electrode assembly)と呼ぶ。
膜電極接合体では、電解質膜において触媒層が形成された領域と、触媒層が形成されない領域の厚みの差によるガスの漏洩、および電解質における触媒層が形成されない領域の集中的な劣化を防ぐため、電解質膜上、触媒層の外側にガスケット部材を設けた構成が一般的である。
膜電極接合体は、セパレータという板状部材に挟持され、これを積層して燃料電池スタックが成る。
膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池の一部材として、上述の三層または五層の状態で供給されることがある。複数の膜電極接合体の輸送は、従来、膜電極接合体そのものを重ねた状態、または膜電極接合体を一つ一つ包装したものを重ねた状態で行われてきた。
その際、膜電極接合体どうしの接触や、膜電極接合体と包装材との接触により、膜電極接合体のガス拡散層や触媒層が損なわれることがある。この問題を回避するために、膜電極接合体に保護シートをつけたものが文献1に開示される。しかし文献1では、保護シートが膜電極接合体を覆う形で直に接着されており、ガス拡散層や触媒層における、保護シートとの擦れによる欠損や、保護シートを除去する際の損傷を回避できない。
特許第5152290号公報
本発明は、高分子形燃料電池を構成する膜電極接合体において、問題となっているガス
拡散層や燃料極触媒層、空気極触媒層の欠損や、損傷を回避しつつ、簡便で、かつ品質の損なわれることのない輸送を可能にすることを目的とする。
上記の課題を解決するための手段として、本発明の一態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に形成された燃料極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極触媒層と対向して形成された空気極触媒層と、前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の外周部に設けられたガスケット部材とを備える膜電極接合体であって、前記ガスケット部材の表面に、スペーサが設けられており、
このスペーサが、前記燃料極触媒層または前記空気極触媒層の表面から突出していることを特徴とする膜電極接合体である。
また、前記スペーサが、前記ガスケット部材から剥離することが可能であることを特徴とする。
また、前記スペーサが、前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の上部に存在しないように設けられることを特徴とする。
また、前記スペーサの厚みが、0.2mm以上であることを特徴とする。
また、前記ガスケット部材および前記スペーサが開口部を備える枠型であり、前記ガスケット部材および前記スペーサの開口部の形状および大きさが同一であり、前記ガスケット部材の開口部および前記スペーサの開口部の位置が一致することを特徴とする。
また、前記スペーサの外表面に、粘着層を備えることを特徴とする。
また、前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の表面に、拡散層を備えることを特徴とする。
また、前記ガスケット部材の表面と、前記拡散層の表面とが面一であることを特徴とする。
また、本発明の別の態様は、上記の膜電極接合体を積層したことを特徴とする膜電極接合体積層体である。
ガスケット部材上にスペーサを設けることで、他の膜電極接合体電極部や包装材の、電極部への接触を避けることが可能となる。触媒層や拡散層など、電池性能に大きく関わる部分の改造が不要であるため、性能に影響せず、また、スペーサ形成において高い精度を要さない。さらに、必要な材料の量が少ないため、コストが低減される。本発明では、容易かつ効率的に、品質を損ねない輸送が可能な膜電極接合体を得ることができる。
本発明の膜電極接合体を示した平面およびA−A’断面の概念図である。 高分子形燃料電池の一般的な構成を示した分解斜視図である。 本発明の膜電極接合体を積層した、膜電極接合体積層体を示した斜視概念図である。 スペーサの平面およびA−A’断面の概念図である。 本発明の膜電極接合体の他の実施形態を示した平面およA−A’断面の概念図である。 ガスケット部材の平面およびA−A’断面の概念図である。
以下本発明を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の膜電極接合体10を示しており、電解質膜2の周辺部にガスケット部材3を設け、中心部の一方表面に燃料触媒層6を、もう一方の面に空気触媒層7が積層されており、燃料触媒層6および空気触媒層7の表面には、さらに拡散層が積層されて、ガスケット部材3の上には、スペーサ1が積層されている。
燃料極側のガスケット部材3および空気極側のガスケット部材3の、少なくとも一方には、その電解質膜2と接する面の裏側の面にスペーサ1が接着して配される。図1には、その両方に配したものを示している。
図2は、固体高分子形燃料電池の単セル1個の一般的な構成を示す分解斜視図である。単セルは、燃料極触媒層および空気極触媒層を両面に備える電解質膜2や、触媒層周囲に配されるガスケット部材3や、触媒層上に配される拡散層4や、ガス流路8を有するセパレータ5で構成される。本発明は、図2の単セルのうち、燃料極触媒層および空気極触媒層を両面に備える電解質膜2、触媒層周囲に配されるガスケット部材3、触媒層上に配される拡散層4を含む膜電極接合体に係るものである。
図3は、本発明のスペーサ付ガスケットを有する複数の膜電極接合体を積層した、膜電極接合体積層体20を示すものである。この状態で、輸送や保管がなされるため、他の膜電極接合体の燃料極触媒層、空気極触媒層、拡散層や包装材への接触を避けることができる。
<電解質膜2>
電解質膜2は、イオン伝導性の高い材用であれば特に限定されないが、多くはパーフルオロスルホン酸系や炭化水素系の固体電解質膜が用いられる。具体的にはナフィオン(Nafion):デュポン社製、ゴアセレクト(Goreselect):ジャパンゴアテックス社製、フレミオン(Flemion):旭硝子社製等を挙げることができる。電解質膜2の厚みは、特に限定されないが、10μm〜200μmが好ましく、これより薄いと破損しやすく、また扱いにくくなり、反対に厚いと膜抵抗が大きく性能に問題を生じる。
<燃料極触媒層6および空気極触媒層7>
燃料極触媒層6および空気極触媒層7は、触媒と電解質とから成り、触媒としては、粒子状の白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属またはこれらの合金、酸化物や複酸化物等が使用できる。
触媒粒子は単体で用いてもよく、導電性担体に担持させて用いるとなおよい。導電性担体には、一般的にカーボン粒子が用いられる。微粒子状で、導電性および化学的耐性を有するものであれば特に問われず、たとえばカーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が挙げられる。カーボン粒子の粒径は10〜1000nm程度が好ましく、これより小さいと電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きいと燃料極触媒層6および空気極触媒層7の厚みが増して抵抗が増加してしまう。
燃料極触媒層6および空気極触媒層7に用いる電解質は、イオン伝導性を有するものであればよい。電解質膜2と同質の材料を用いると、燃料極触媒層6および空気極触媒層7
と電解質膜2との密着性が高められ、より好ましい。
燃料極触媒層6および空気極触媒層7の形成手段は特に問わず、たとえば上述の触媒粒子、担体および電解質の混合物を分散させたスラリーを電解質膜2に直接湿式塗布しても、転写基材または拡散層4に塗工して後転写により形成してもよい。
燃料極触媒層6および空気極触媒層7の形成には、必要に応じて乾燥工程を設ける。その乾燥方法は特に限定されず、たとえば温風乾燥、赤外乾燥、減圧乾燥が挙げられる。
<ガスケット部材3>
ガスケット部材3は、大きくは次に挙げる役割を担う。電解質膜2は原料や生成ガスに曝されると劣化が促進されることが知られており、電解質膜2の燃料極触媒層6および空気極触媒層7が形成されていない部分を覆うことにより、電解質膜2をガスから保護する役割が一つである。
また一つは、燃料極触媒層6および空気極触媒層7および拡散層4による膜電極接合体の凹凸を解消し、燃料電池セルの組み立てをより容易に、より精度よくする役割である。本発明に係るガスケット部材はさらに、輸送時の品質保持を容易にする特徴を有する。
ガスケット部材3には、温度変化や圧力負荷に耐えうる強度と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを漏洩させないガスバリア性が求められ、フイルムから成るものが好適である。フイルムから成るガスケット部材とは、フイルムの少なくとも一方面に粘着層または接着層を備えるものであり、他方面に離型層を備えていてもよい。粘着層または接着層は、フイルムと電解質膜10の間に具備され、界面のガスシール性を向上させる。また、他の工法でも可能であり、例えば、材料を溶解させたインクの塗布によって作製する方法などが挙げられる。
前記ガスケット部材3の材料としては、圧力を加えられても変形しにくいものがよく、たとえば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、ポリカーボネート、ポリアミド等の高分子材料が挙げられる。これらを単独で用いてもよく、また組み合わせて用いてもよい。
ガスケット部材3の厚みは、燃料極触媒層6と拡散層4あるいは、空気極触媒層7と拡散層4とを合わせた厚みに等しいとよい。
<スペーサ1>
スペーサ1は、燃料極側のガスケット部材3および空気極側のガスケット部材3のどちらか一方にのみ設けられても、両方に設けられてもよい。複数の膜電極接合体10を積層した際、その両末端の膜電極接合体10は、その外側にスペーサ1を有する構成がとくに好ましい。例えば、燃料極側のガスケット部材3上にのみスペーサ1を有する複数の膜電極接合体10を、燃料極を下として垂直に積層したとき、その最も上に位置する膜電極接合体10は、燃料極側のガスケット部材3と、さらに空気極側のガスケット部材3とにスペーサ1を有するとよい。
スペーサ1は、ガスケット部材3より剥離することが可能であり、該スペーサ1とガスケット部材3との剥離接着の強さ(JIS K6854)は、2.0N/cm以下がよい。このとき、スペーサ1とガスケット部材3との剥離接着の強さが1.0N/cm以下であると、より剥離が容易であり、好ましい。スペーサ1と被接着材との剥離接着の強さは、スペーサ1の被接着材に付着する面に有する粘着層を構成する材料等により調整する。ここで、粘着層を構成する材料としては、アクリル系粘着剤が好適である。公知の(メタ)アクリル酸エステルを主成分とする共重合体の粘着剤に、架橋剤や可塑剤、界面活性剤等を配合したものから成る。また、必要に応じて、粘着付与剤樹脂、軟化剤、各種顔料、粘度調整剤などの助剤が添加されてもよい。これらの材料、配合比率により粘着力を調整する。
積層した際の密着性を高めるため、スペーサ1は、ガスケット部材3に付着する面に加えて、ガスケット部材3と接する面の逆の面、すなわちスペーサ1の外表面にも粘着層を有する構成がよい。粘着層を介して他の膜電極接合体と合わさることで、積層集合体がより安定する。この剥離接着の強さ(JIS K6854)は、2.0N/cm以下がよく、1.0N/cm以下であると、剥離が容易で、より好ましい。
図4は、スペーサ1の例であり、実施例および比較例に用いるスペーサ1の寸法説明に用いるものである。中央部に開口部を持ち、開口寸法x、外寸y、厚みzとする。
スペーサ1の、膜電極接合体10の膜厚方向における高さ、すなわち厚みzは、0.2mm以上であり、0.5mm以上あると、外部からの力により曲げや揺れが発生した際にも、電極部における他の膜電極接合体や包装材との接触を回避できる可能性が高く、より好ましい。
スペーサ1は、ガスケット部材3上に接着され、ガスケット部材3の開口部上部に延びないように設けられるが、その形状、大きさ、数は問わない。た、スペーサ1は、ガスケット部材3と同様に枠型であり、その開口部の形状が、ガスケット部材3の開口部の形状と略同一であると特によい。また、ガスケット部材3およびスペーサ1は、両者の開口部が略一致するように位置合わせがなされ、重ねられて接着される。
スペーサ1が、ガスケット部材3の内縁部にあること、つまり電極部と近接して設けられることにより、より確実に電極部近傍を支持し、電極部の空間を保持することが可能になる。
スペーサ1およびガスケット部材3は、同様にして作製することが可能である。スペーサ1およびガスケット部材3がともに、シートからなり、打ち抜きや切り抜きによって作製される場合や、スペーサ1およびガスケット部材3がともにマスク材を用いた材料塗布により作製される場合など、同様の設備またはマスク材を使用することができる。シート状の材料を、打ち抜きまたは切り抜きによって作製する方法がとくに簡単であり、よい。その際、予めスペーサ1とガスケット部材3とを貼り合わせた状態で成形しても、それぞれを同様の設備で成形した後に貼り合わせてもかまわない。後者のほうが、スペーサ1とガスケット部材3との、開口部がずれる恐れがなく、より好ましい。
図5は、枠型スペーサ1の一例を示しており、角に丸みのあるものや、縁が波模様のものであってもよく、周縁部の形状および大きさは、特には限定されない。
ガスケット部材3とスペーサ1の外周縁部の形状や大きさが異なると、スペーサ1の除去が容易になり、またガスケット部材3とスペーサ1とを識別しやすくなるため、使用の際にスペーサ1を除き忘れる恐れが軽減される。他方、ガスケット部材3と外周縁部の形状や大きさが同じであると、スペーサ1とガスケット部材3との製造方法の類似が増し、工程の簡略化が可能となる。
図6は、実施例、比較例のスペーサ1形状を示しており、ガスケット部材3より大きく、その周縁部より外側に張り出していても(B)、ガスケット部材3より小さく(C)てもよい。ガスケット部材3と、その形状および大きさが略同一(A)であってもよい。
比較例1は、ガスケット部材に、スペーサ1を貼り付けない(D)状態を示す。
<拡散層4>
拡散層4は、導電性が高く、原料ガスの拡散性が高い材料から成る。例えば、金属フイルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられるが、なかでもカーボンペーパ等の多孔質導電体材料が好ましい。拡散層4の厚みは、50μm〜1000μm程度が好ましい。
拡散層4に挟持されて、膜電極接合体10がある。電解質膜2のそれぞれの面に燃料極触媒層6および空気極触媒層7が設けられ、その外側を囲むように燃料極触媒層6および空気極触媒層7と隙間を空けずにガスケット部材3が配される。
<セパレータ5>
セパレータ5は、導電性を有し、かつガスを透過しない材料より成る。例えば、耐食処理が施された金属板または焼成カーボン等のカーボン系材料等である。前記セパレータ5は、燃料極となる燃料極触媒層6および空気極となる空気極触媒層7上の拡散層4と面して、それぞれの反応ガス流通用の流路8となる櫛型構造を備えて配置される。この面に対向する面に、冷却水流路を有することも多い。酸化剤ガスおよび燃料ガスはまずセパレータ5の反応ガス流路8を通り、ガス流路8を通るうちに、反応ガスは拡散層4を介して、膜電極接合体1に供給される。
膜電極接合体10は、たとえば電解質膜2に、燃料極触媒層6、空気極触媒層7を形成後、ガスケット部材3およびスペーサ1を貼り合わせ、さらに燃料極触媒層6、空気極触媒層7を覆うように拡散層4を配して製造される。この順序は限定されず、拡散層4とガスケット部材3およびスペーサ1の形成が前後してもよい。また、電解質膜2にガスケット部材3およびスペーサ1を貼り合せた後に、燃料極触媒層6、空気極触媒層7を、次に拡散層4を形成して製造されてもよい。さらに、電解質膜2にガスケット部材3を配した後であって、スペーサ1を配する前に、燃料極触媒層6、空気極触媒層7や拡散層4を形成して製造されてもよい。
以上、本発明の実施形態による膜電極接合体10及びこれを備えた燃料電池セルについて説明したが、膜電極接合体1は燃料電池セルのみに適用されるものではない。以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されない。
電解質膜2(Nafion211CS、デュポンデュポン社製)の両方の面に、ガスケット部材3として、中心部に50mm×50mmの開口部を有する、外寸150mm×150mmの粘着層付きPETフイルム1(x=50mm、y=150mm、厚み0.2mm、剥離接着強度10N/cm)を対向させて貼り付けた。さらにその粘着面と反対の面、つまり外側の面に、同じ寸法で、より粘着力の弱い粘着層を両面に有するPETフイルム2(x=50mm、y=150mm、厚み0.2mm、剥離接着強度0.1N/cm)をスペーサ1として貼り付けた。
<触媒層用スラリー>
作製には、白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属社製)と水とを混合した後、これに2‐プロパノールと電解質(Nafion分散液、和光純薬工業社製)を加えて撹拌して得たものを用いた。それぞれの混合質量比は1:3:15:2とした。
作製した触媒層用スラリーを、ガスケット部材及びスペーサの開口部の電解質膜面に、ドクターブレードで塗工し、摂氏80度の炉内で乾燥することで、一方の面に燃料極触媒層を、他の方面に空気極触媒層を形成した。
<振動試験>
作製した膜電極接合体を10枚積層し、振動試験機(F−200BM/A−E04エミック社製)を用い、加速度5G、掃引周波数10〜55Hz、左右、奥行き方向、垂直方向それぞれ30分ずつ振動を加えた。
<観察>
振動試験後、触媒層表面の観察を実施した。振動試験前と比較して、
○:変化が見られなかったもの
×:実験前と比較して、実験後の触媒層に薄い箇所や剥離が観察されたもの
とした。
<高電位(OCV)保持耐久性試験>
振動試験後、スペーサを剥離した膜電極接合体の両面に、拡散層(SIGRACET 35BC,SGL)を配置し、日本自動車研究所(JARI)標準セルを用いて耐久性試験を実施した。セル温度は100℃とし、燃料極に加湿水素、空気極に加湿酸素を供給して行った。振動試験を施さず測定した結果Xに対して、
○:10枚の平均値がXと同等か上回る場合
×:10枚の平均値がXを下回る場合
とした。
電解質膜(Nafion211CS、デュポンデュポン社製)の両方の面に、ガスケット部材として、中心部に50mm×50mmの開口部を有する、外寸150mm×150mmの粘着層付きPETフイルム1(x=50mm、y=150mm、厚み0.2mm、剥離接着強度10N/cm)を対向させて貼り付けた。さらに片面のガスケット部材の、その粘着面と反対の面、つまり外側の面に、同じ寸法で、より粘着力の弱い粘着層を両面に有するPETフイルム2(x=50mm、y=150mm、厚み0.2mm、剥離接着強度0.1N/cm)をスペーサとして貼り付けた。このガスケット付き膜電極接合体の両面に、実施例1と同様に触媒層を形成した。つまり、実施例1において一方の面のスペーサが除かれたものであり、それ以外の構成は同じとした。
実施例2におけるスペーサ1として用いたPETフイルム2の代わりに、PETフイルム3(x=50mm、y=200mm、厚み0.2mm、剥離接着強度0.1N/cm)をスペーサとして用いた以外は、実施例2と同じとした。
実施例2におけるスペーサとして用いたPETフイルム2の代わりに、PETフイルム3(x=50mm、y=60mm、厚み0.2mm、剥離接着強度0.1N/cm)をスペーサとして用いた以外は、実施例2と同じとした。
<比較例1>
実施例1におけるスペーサを用いない以外は同じとした。
実施例2〜4、および比較例1について、実施例1と同様の振動試験および触媒層の表面観察を行った。
この結果を表1にまとめた。
Figure 0006368995
スペーサを有する実施例1は触媒層の破損は見られなかったが、スペーサを有さない比較例1では触媒層の破損が見られた。実施例1は揺れ実験を施しても耐久性が維持されたが、比較例1は揺れ実験後の測定で耐久性が降下した。
スペーサを膜電極接合体の両面に有する実施例1でも、片面にしか有さない実施例2でも、揺れ実験による触媒層の破損は見られなかった。
これらのことから、本発明による、スペーサを有するガスケット付きの膜電極接合体は、積層されて振動を加えられたときに触媒層が傷みにくいこと、スペーサの形状は問わないことが確認された。
以上より、本発明による膜電極接合体は、運搬や保管の際の燃料極および空気極の保護に効果的であることが示された。
1・・・スペーサ
2・・・電解質膜
3・・・ガスケット部材
4・・・拡散層
5・・・セパレータ
6・・・燃料極触媒層
7・・・空気極触媒層
8・・・ガス流路
10・・・膜電極接合体
20・・・膜電極接合体積層体

Claims (6)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成された燃料極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極触媒層と対向して形成された空気極触媒層と、前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の外周部に設けられたガスケット部材とを備える膜電極接合体であって、
    前記ガスケット部材の前記電解質膜側の面とは反対側の面である第一面に、スペーサが設けられており、
    前記スペーサの前記ガスケット部材と対向する側の面に、粘着層を備えており、
    前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の前記電解質膜とは反対側に拡散層を備え、
    前記拡散層の前記電解質膜側の面とは反対側の面が第二面であり、
    前記ガスケット部材の前記第一面と、前記拡散層の前記第二面とが面一であり、
    前記スペーサが前記第二面から突出していることを特徴とする膜電極接合体。
  2. 前記スペーサが、前記ガスケット部材から剥離することが可能であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。
  3. 前記スペーサが、前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層における前記電解質膜と対向する側の面に存在しないように設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の膜電極接合体。
  4. 前記スペーサの厚みが、0.2mm以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
  5. 前記ガスケット部材および前記スペーサが開口部を備える枠型であり、前記ガスケット部材および前記スペーサの開口部の形状および大きさが同一であり、前記ガスケット部材の開口部および前記スペーサの開口部の位置が一致することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
  6. 請求項1からのいずれか一項に記載の膜電極接合体を積層したことを特徴とする膜電極接合体積層体。
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