JP6686272B2 - ガスケット部材、それを用いた膜電極接合体、および燃料電池 - Google Patents
ガスケット部材、それを用いた膜電極接合体、および燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6686272B2 JP6686272B2 JP2014200678A JP2014200678A JP6686272B2 JP 6686272 B2 JP6686272 B2 JP 6686272B2 JP 2014200678 A JP2014200678 A JP 2014200678A JP 2014200678 A JP2014200678 A JP 2014200678A JP 6686272 B2 JP6686272 B2 JP 6686272B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst layer
- gasket
- electrode catalyst
- membrane
- gasket member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims description 77
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 50
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 119
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 119
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 16
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 41
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- -1 glycol ethers Chemical class 0.000 description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 4
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 2
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 2
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N ethylene glycol Natural products OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 2
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000544 Gore-Tex Polymers 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000007603 infrared drying Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- IYZXTLXQZSXOOV-UHFFFAOYSA-N osmium platinum Chemical group [Os].[Pt] IYZXTLXQZSXOOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000002522 swelling effect Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007601 warm air drying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、高分子形燃料電池に関し、特にガスケット部材およびそれを用いた膜電極接合体に関する。
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、高分子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、これを膜電極接合体と呼ぶ。
発電の際には、燃料極側に水素を含む燃料ガス、空気極側に酸素を含む酸化剤ガスを供給する。供給された燃料ガスは、アノード触媒層（燃料極触媒層、または単に電極触媒層、あるいは触媒層ともいう）にて、プロトンおよび電子になる。プロトンはアノード触媒層内の高分子電解質および高分子電解質膜を通り、カソード触媒層（空気極触媒層、または単に電極触媒層、あるいは触媒層ともいう）側に移動する。電子は、外部回路を通り、同じくカソード触媒層に移動する。カソード触媒層においては、プロトン、電子および外部から供給される酸化剤ガスが反応し、水が生成される。以上のように燃料極および空気極において化学反応が起こり、電荷が発生し、電池として機能する。
膜電極接合体の作製には、一般に、湿式塗工や転写法が用いられる。なかでも、触媒層を構成する材料と、適当な溶媒または分散媒から成るスラリを、電解質膜に直接塗布する方法は、複雑な装置を必要とせず、また、触媒層の密着性に優れ、発電性能および耐久性に有利な膜電極接合体を与えることが知られる。しかしこの方法では、電解質膜のスラリ溶媒による膨潤、およびその後の乾燥による収縮が避けられず、触媒層を所望の形状につくることが非常に難しい。
また、転写法では加熱や加圧による電解質膜の変形はあるものの、湿式塗工における変形よりは小さい。しかしながら、転写時の位置合わせに工夫を要する。
一般に膜電極接合体では、電解質膜に触媒層が形成された領域と形成されていない領域との厚みの差によって生じるガスの漏洩や、記触媒層が形成されない領域の集中的な劣化を防ぐために、電解質膜上の触媒層の外側にガスケット部材を設けている。
例えば触媒層を凡そ設計どおりの形に形成し、且つ、簡便にガスケット部材付き膜電極接合体を作製するために、特許文献１に記載の方法が提案されている。特許文献１には、開口部を有するマスキング部材を電解質膜上に配置して、触媒層用スラリを電解質膜に直接塗布する方法が示されており、マスキング部材とガスケット部材とを積層することによ
り、ガスケット部材付き膜電極接合体を簡易的に得ることができる。
り、ガスケット部材付き膜電極接合体を簡易的に得ることができる。
しかしながら、上記の方法では、ガスケット部材と触媒層との間の隙間を完全になくすことはできず、そのように電解質膜が露出した領域があると、発電に伴う劣化が加速され耐久性が低下するという問題がある。
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、電解質膜の露出がなく、耐久性に優れ、かつ外観に問題のない膜電極接合体の作製を容易にするガスケット部材を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、高分子電解質膜の一方の面に燃料極触媒層、他方の面に空気極触媒層が形成された膜電極接合体に用いられる燃料電池用ガスケット部材であって、前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域に対応する領域が開口されたガスケット本体と、前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域の外周部と接するガスケット本体の開口部の内側に、前記燃料極触媒層または空気極触媒層を構成する触媒または触媒を担持した炭素粒子と高分子電解質とを含む材料からなる枠型要素を具備し、燃料極側の前記ガスケット部材と空気極側の前記ガスケット部材の間に前記高分子電解質膜が配置されていることを特徴とするガスケット部材である。
また、前記枠型要素の厚みが前記ガスケット本体の厚みを超えないことを特徴とする。
また、前記枠型要素の幅が０．００５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、前記ガスケット本体は、前記膜電極接合体側に接着層または粘着層を有することを特徴とする。
また、前記ガスケット本体がフイルム基材から成ることを特徴とする。
また、前記の少なくともいずれかの特徴を有するガスケット部材を具備したことを特徴とする膜電極接合体である。
また、前記の膜電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池である。
また本発明の別の態様は、高分子電解質膜の一方の面に燃料極触媒層、他方の面に空気極触媒層が形成された膜電極接合体に用いられる燃料電池用ガスケット部材の製造方法であって、前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域に対応する領域が開口されたガスケット本体と、前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域の外周部と接するガスケット本体の開口部の内側に、前記燃料極触媒層または空気極触媒層を構成する触媒または触媒を担持した炭素粒子と高分子電解質とを含む材料からなる枠型要素を具備し、前記枠型要素は直接湿式塗布法により形成されることを特徴とするガスケット部材の製造方法である。
本発明の一態様によれば、燃料極触媒層及び空気極触媒層に対応する領域が開口されたガスケット本体と、前記燃料極及び空気極領域の外周部と接するガスケット本体の開口部の内側に、燃料極及び空気極の外周と密着する枠型要素を設けることにより、燃料極及び空気極領域との段差や隙間をなくすことができる。
また、枠型要素を燃料極または空気極領域を構成する材料で形成することにより、枠型要素も燃料極または空気極と同様の機能を有することができ、電解質膜の露出がなく、耐久性に優れた膜電極接合体を容易に作製することができる。
また、枠型要素に燃料極触媒層または空気極触媒層の機能を備え、両触媒層との良好な密着性と、隙間充填・段差吸収とをする緩衝性を奏する。
また、枠型要素の厚みが前記ガスケット本体部の厚みを超えないことにより、枠型要素の周縁端部からのガスの漏洩を防ぐことができる。
また、枠型要素の幅を０．００５〜０．５ｍｍの範囲とすることで、燃料極触媒層及び空気極触媒層の形成が比較的容易となり、また位置精度を緩和する効果が得られる。
また、ガスケット本体が、膜電極接合体側に接着層または粘着層を有することにより、高分子電解質膜との界面のガスシール性を向上させることができる。
また、ガスケット本体及がフイルム基材から成ることにより、均一な厚みを得ることが容易で、且つ圧力が加えられた際の変形を小さくすることができる。
上記で説明したように、本発明のガスケット部材を用いることにより、電解質膜の露出がなく、耐久性に優れ、かつ外観に問題のない膜電極接合体及び燃料電池を提供することができる。
図１は、本発明の膜電極接合体１を用いた高分子形燃料電池構成の一例を示す分解斜視図である。これに示されるように、高分子形燃料電池は膜電極接合体１に加えて、例えば、セパレータ４、５や拡散層２、３とを備えて構成される。
セパレータ４、５は、導電性を有し、且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。セパレータ４、５は、空気極および燃料極の拡散層２、３と面して、それぞれの反応ガス流通用の流路４１、５１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４、５の反応ガス流路４１、５１を通る。
流路４１、５１を通るうちに、反応ガスは拡散層２、３を介して、膜電極接合体１に供
給される。拡散層２、３は、導電性が高く、原料ガスの拡散性が高い材料から成る。たとえば、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２、３の厚みは、５０ｕｍ〜１０００ｕｍ程度が好ましい。
給される。拡散層２、３は、導電性が高く、原料ガスの拡散性が高い材料から成る。たとえば、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２、３の厚みは、５０ｕｍ〜１０００ｕｍ程度が好ましい。
拡散層２、３に挟持されて、膜電極接合体１がある。図２に示されるように、電解質膜１０の両面に燃料極触媒層６および空気極触媒層７（以下、単に触媒層６、７と記す）が形成され、その外側を囲むように触媒層６、７と隙間を空けずにガスケット部材８、９が配される。
電解質膜１０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高分子電解質膜が用いられる。具体的には、デュポン社（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、ジャパンゴアテックス社製のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、旭硝子社製のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等が挙げられる。電解質膜１０の厚みは、特に限定されないが、１０ｕｍ〜２００ｕｍ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、厚いと膜抵抗が大きくなり性能に問題を生じる。
触媒層６、７は、触媒と電解質とから成り、触媒は粒子状の触媒粒子として用いられる。
例えば触媒粒子としては、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や、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ることもできるが、導電性担体に担持させて用いることが好ましい。導電性担体には、一般的にカーボン粒子が用いられるが、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限定するものではない。例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、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、また大きいと触媒層６、７の厚みが増して抵抗が増加してしまう。
触媒層６、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１０と同質の材料を用いると、触媒層６、７と電解質膜１０との密着性が高められ、より好ましい。
触媒層６、７の形成手段は、特に問わない。例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を電解質膜１０に直接湿式塗布する方法や、転写基材または拡散層２、３に塗工して後に転写により形成する方法がある。このとき用いるスラリの溶媒または分散媒は、とくに限定されないが、電解質を溶解または分散できるものが良い。水、アルコール類、ケトン類、アミン類、エステル類、エーテル類、グリコールエーテル類や、これらを種々の割合で混合したものが一般的である。
触媒層６、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、例えば温風乾燥、赤外乾燥、減圧乾燥が挙げられる。
ガスケット本体８１、９１には、厚みが均一であること、および圧力を加えられた際の変形が小さいことが求められ、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
スケット本体８１、９１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。離形層は、例えばガスケット本体８１、９１を貼り付けた後に、このガスケット本体８１、９１をマスクとして触媒層６、７を湿式塗布形成する場合に、ガスケット表面に付着した触媒スラリの除去を容易にする。
スケット本体８１、９１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。離形層は、例えばガスケット本体８１、９１を貼り付けた後に、このガスケット本体８１、９１をマスクとして触媒層６、７を湿式塗布形成する場合に、ガスケット表面に付着した触媒スラリの除去を容易にする。
ガスケット本体の材料としては、圧力を加えられても変形しにくいものがよく、例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。
本発明のガスケット部材８、９は図３に示すように、ガスケット本体８１、９１の内側の開口部周縁に沿って枠型要素８２、９２を備えることを特徴としている。枠型要素８１、９１の幅は、Ｗは０．００５〜０．５ｍｍである。特に０．０１〜０．５ｍｍが好ましい。これより小さいと触媒層形成における位置精度緩和の効果が小さく、これより大きいと塗布面すなわちガスケット部材８、９の側面の面積（厚み）が小さいために形成が難しい。
枠型要素８２、９２の厚みは、ガスケット本体８１、９１のそれを超えない。触媒層６、７の厚みに対して１／２〜１倍がよく、拡散層２、３を触媒層６、７の外側に配した際にでも圧着やセルの締め付けによって、ガスケット本体８１、９１と前記拡散層２、３との段差が解消される必要がある。
ガスケット本体８１、９１は単一、または複数の部材から成る。ガスケット本体８１、９１が単一の部材から成り、その厚みが触媒層６、７と拡散層２、３との和に等しく、そこにそれらより厚みの小さい枠型要素８２、９２が設けられてもよい。また、ガスケット本体８、９が複数の部材から成ってもよく、例えば、触媒層６、７と厚みが等しいガスケット本体８１、９１と、拡散層２、３と厚みが等しい部材とから構成されてもよい（図４）。
枠型要素８２、９２は、触媒層６、７の成分の一部を含む。触媒層６、７に用いられる触媒と電解質とをともに含む構成がとくに好ましい。あるいは、触媒層６、７に用いられる電解質と、より耐久性に優れる触媒とを含む構成でもよい。この場合、本来劣化しやすい電極端部に高耐久性の材料を配することで、劣化を抑制することができる。
枠型要素８２、９２の形成手段は、特に限定されない。たとえば触媒粒子、担体および電解質の混合物を分散させたスラリをガスケット部材８１、９１本体の側面に直接湿式塗布する方法がある。このとき用いるスラリの溶媒または分散媒は、特に限定されないが、電解質を溶解または分散できるものが良い。水、アルコール類、ケトン類、アミン類、エステル類、エーテル類、グリコールエーテル類や、これらを種々の割合で混合したものが一般的である。
膜電極接合体１は、例えば電解質膜１０に、ガスケット部材８、９を貼り合わせ、そこに触媒層６、７を形成して製造される。また、電解質膜１０に触媒層６、７を形成した後に、ガスケット部材８、９を配して作られてもよい。続いて拡散層２、３が触媒層６、７の外側に設けられる。その後さらに、２００度以下の加熱やプレス、またはその両方が行われることも好ましい。加熱冷却に伴う硬度変化や加圧押し付けにより、枠型要素８２、９２と触媒層６、７との密着がよくなり、触媒層端部の劣化をより効果的に抑制することができ、加えて、触媒層６、７と枠型要素８２、９２、およびその重なる部分の厚みを均
等にすることができる。
等にすることができる。
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。
＜実施例１＞
枠型要素用スラリとして、白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属）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）を加えて撹拌して得たものを用いた。
枠型要素用スラリとして、白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属）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）を加えて撹拌して得たものを用いた。
５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形の開口部を有する粘着層付ＰＥＴフイルムをガスケット本体として用意した。この開口部の内側に枠型要素用スラリを塗布して温風乾燥し、枠型要素を形成してガスケット部材を作製した。
電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ２１１ＣＳ、デュポン）の両面に、上記ガスケット部材を貼り付けた。触媒層用スラリをドクターブレードで塗工し、ガスケット部材の外表面に付着したスラリを除去した後、８０℃の炉内で乾燥し、膜電極接合体を作製した。
＜比較例１＞
白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属）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）を加えて撹拌し、触媒層用スラリを調整した。
白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属）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）を加えて撹拌し、触媒層用スラリを調整した。
電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ２１１ＣＳ、デュポン）の両面に、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形の開口部を有する粘着層付ＰＥＴフイルムを貼り付けた。次に電解質膜に、上記触媒層用スラリをドクターブレードで塗工し、さらに８０℃の炉内で乾燥し、膜電極接合体を作製した。
＜比較例２＞
エチレンテトラフルオロエチレン共重合体フイルムに、上記触媒層スラリを塗布し乾燥させたものを転写基材として、電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ２１１ＣＳ、デュポン）の両面中央部５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲に、熱プレスにより触媒層を形成した。この両面に、触媒層と開口部の位置が合うように、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形の開口部を有する粘着層付ＰＥＴフイルムを貼り付け膜電極接合体を作製した。
エチレンテトラフルオロエチレン共重合体フイルムに、上記触媒層スラリを塗布し乾燥させたものを転写基材として、電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ２１１ＣＳ、デュポン）の両面中央部５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲に、熱プレスにより触媒層を形成した。この両面に、触媒層と開口部の位置が合うように、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形の開口部を有する粘着層付ＰＥＴフイルムを貼り付け膜電極接合体を作製した。
＜評価及び方法＞
実施例１及び比較例１、２で得られた膜電極接合体について、以下の方法で外観及び耐久性試験を実施した。結果を以下の表１に記す。
実施例１及び比較例１、２で得られた膜電極接合体について、以下の方法で外観及び耐久性試験を実施した。結果を以下の表１に記す。
・外観〜膜電極接合体の触媒層の周縁部を光学顕微鏡により、電解質膜の露出およびしわを目視観察した。
・耐久性試験〜膜電極接合体の両面に、拡散層（ＳＩＧＲＡＣＥＴ ３５ＢＣ、ＳＧＬ）を配置しプレスした後、市販のＪＡＲＩ標準セルを用いてＯＣＶ耐久試験を実施した。セル温度は１００℃として、燃料極触媒層（アノード）に加湿水素、空気触媒層（カソード）に加湿酸素を供給した。耐久時間が２５時間を超えるものを可（○）、超えないものを不可（×）と判定した。
・耐久性試験〜膜電極接合体の両面に、拡散層（ＳＩＧＲＡＣＥＴ ３５ＢＣ、ＳＧＬ）を配置しプレスした後、市販のＪＡＲＩ標準セルを用いてＯＣＶ耐久試験を実施した。セル温度は１００℃として、燃料極触媒層（アノード）に加湿水素、空気触媒層（カソード）に加湿酸素を供給した。耐久時間が２５時間を超えるものを可（○）、超えないものを不可（×）と判定した。
＜比較結果＞
燃料極触媒層と空気極触媒層の周縁部を光学顕微鏡で確認すると、実施例１では触媒層とガスケット部材との間に、電解質膜の露出部がなかったが、比較例１および２ではもっとも幅の狭い部分でも０．０８ｍｍの間隙があり、電解質膜の露出が確認できた。
燃料極触媒層と空気極触媒層の周縁部を光学顕微鏡で確認すると、実施例１では触媒層とガスケット部材との間に、電解質膜の露出部がなかったが、比較例１および２ではもっとも幅の狭い部分でも０．０８ｍｍの間隙があり、電解質膜の露出が確認できた。
また、比較例１では電解質膜の露出部に、しわが見られた。これはスラリ中の溶媒による膨潤とその乾燥による収縮に起因すると思われる。実施例１および比較例２では、しわが見られなかった。湿式塗工による実施例１においてしわが発生しなかったのは、塗布領域の周縁部にある枠型要素のために、電解質膜に吸収される溶媒量が少ないか、吸収される速度が遅く変化が緩やかであり、膨潤収縮の影響が十分に小さく抑えられたものと考える。
１ 膜電極接合体
２ 拡散層
３ 拡散層
４ セパレータ
４１ ガス流路
５ セパレータ
５１ ガス流路
６ 燃料極触媒層
７ 空気極触媒層
８、９ ガスケット部材
８１ ガスケット本体
８２ 枠型要素
９１ ガスケット本体
９２ 枠型要素
１０ 電解質膜
２ 拡散層
３ 拡散層
４ セパレータ
４１ ガス流路
５ セパレータ
５１ ガス流路
６ 燃料極触媒層
７ 空気極触媒層
８、９ ガスケット部材
８１ ガスケット本体
８２ 枠型要素
９１ ガスケット本体
９２ 枠型要素
１０ 電解質膜
Claims (8)
- 高分子電解質膜の一方の面に燃料極触媒層、他方の面に空気極触媒層が形成された膜電極接合体に用いられる燃料電池用ガスケット部材であって、
前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域に対応する領域が開口されたガスケット本体と、前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域の外周部と接するガスケット本体の開口部の内側に、前記燃料極触媒層または空気極触媒層を構成する触媒または触媒を担持した炭素粒子と高分子電解質とを含む材料からなる枠型要素を具備し、
燃料極側の前記ガスケット部材と空気極側の前記ガスケット部材の間に前記高分子電解質膜が配置されていることを特徴とするガスケット部材。 - 前記枠型要素の厚みが前記ガスケット本体の厚みを超えないことを特徴とする請求項１に記載のガスケット部材。
- 前記枠型要素の幅が０．００５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスケット部材。
- 前記ガスケット本体は、前記膜電極接合体側に接着層または粘着層を有す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ガスケット部材。
- 前記ガスケット本体がフイルム基材から成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ガスケット部材。
- 請求項１から５のいずれか一項に記載のガスケット部材を具備したことを特徴とする膜電極接合体。
- 請求項６に記載の膜電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池。
- 高分子電解質膜の一方の面に燃料極触媒層、他方の面に空気極触媒層が形成された膜電極接合体に用いられる燃料電池用ガスケット部材の製造方法であって、
前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域に対応する領域が開口されたガスケット本体と、前記燃料極触媒層及び空気極触媒層領域の外周部と接するガスケット本体の開口部の内側に、前記燃料極触媒層または空気極触媒層を構成する触媒または触媒を担持した炭素粒子と高分子電解質とを含む材料からなる枠型要素を具備し、
前記枠型要素は直接湿式塗布法により形成されることを特徴とするガスケット部材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014200678A JP6686272B2 (ja) | 2014-09-30 | 2014-09-30 | ガスケット部材、それを用いた膜電極接合体、および燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014200678A JP6686272B2 (ja) | 2014-09-30 | 2014-09-30 | ガスケット部材、それを用いた膜電極接合体、および燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016072099A JP2016072099A (ja) | 2016-05-09 |
| JP6686272B2 true JP6686272B2 (ja) | 2020-04-22 |
Family
ID=55865109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014200678A Active JP6686272B2 (ja) | 2014-09-30 | 2014-09-30 | ガスケット部材、それを用いた膜電極接合体、および燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6686272B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7196773B2 (ja) * | 2019-05-31 | 2022-12-27 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| KR20230100452A (ko) * | 2021-12-28 | 2023-07-05 | 코오롱인더스트리 주식회사 | 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3972705B2 (ja) * | 2002-03-26 | 2007-09-05 | 松下電器産業株式会社 | 電解質膜電極接合体とその製造方法および燃料電池 |
-
2014
- 2014-09-30 JP JP2014200678A patent/JP6686272B2/ja active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2016072099A (ja) | 2016-05-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8026018B2 (en) | Electrolyte membrane-electrode assembly and production method thereof | |
| JP5157050B2 (ja) | 膜電極接合体及びその製造方法 | |
| JP2007042348A (ja) | 膜電極接合体及びその製造方法 | |
| US8999599B2 (en) | Method of fabricating membrane electrode assembly and gas diffusion layer | |
| JP2002025560A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2006338943A (ja) | 電解質膜−電極接合体 | |
| JP7314785B2 (ja) | 電極触媒層、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 | |
| US20210013523A1 (en) | Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
| US20130101917A1 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and method of fabricating the same | |
| JP6686272B2 (ja) | ガスケット部材、それを用いた膜電極接合体、および燃料電池 | |
| JP7238801B2 (ja) | 膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 | |
| JP6368995B2 (ja) | 膜電極接合体および膜電極接合体積層体 | |
| JP7119402B2 (ja) | 膜電極接合体およびこれを備えた固体高分子形燃料電池 | |
| JP6326862B2 (ja) | 膜電極接合体、燃料電池、及び膜電極接合体の製造方法 | |
| JP2006338942A (ja) | 電解質膜−電極接合体、および、燃料電池 | |
| JP2006338941A (ja) | 電解質膜−電極接合体 | |
| WO2017154475A1 (ja) | 触媒組成物、高分子電解質膜電極接合体の製造方法、および高分子電解質膜電極接合体 | |
| JP7243030B2 (ja) | 電極触媒層、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池 | |
| WO2022186323A1 (ja) | 膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池 | |
| JP7315079B2 (ja) | 電極触媒層、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 | |
| JP2013109950A (ja) | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法及び固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 | |
| WO2022172958A1 (ja) | 膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池 | |
| JP5725244B2 (ja) | 膜−電極接合体中間体、並びに膜−電極接合体中間体、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池の製造方法 | |
| JP2010257669A (ja) | 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池 | |
| JP5617491B2 (ja) | 膜−電極接合体中間体、並びに膜−電極接合体中間体、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170822 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180511 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180522 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180720 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190108 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190227 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190716 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190912 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200303 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200316 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6686272 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |