WO2012035579A1 - 膜電極接合体とその製造方法および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
このような構成であれば、電解質が含浸された部材の露出した部分を起点として、電解質層、あるいは、触媒層を、この部材から容易に剥離することができる。そのため、電解質層や触媒層の交換を容易に行うことが可能になる。なお、電解質が含浸された部材としては、電解質が含浸された多孔性部材や、電解質膜を適用することが可能である。この電解質膜としては、上記電解質層とは異なる材料のものが好ましい。
このような構成であれば、タブ部を用いて容易に電解質層あるいは触媒層を剥離することができる。
このような構成であれば、ラジカル劣化の起きにくいカソードオフガス排出部付近からタブ部を用いて剥離を行うことができるので、剥離作業を容易に行うことが可能になる。
このような構成であれば、複数の部材の間から剥離を行うことができるので、電解質層や触媒層を容易に交換することが可能になる。
前記電解質層と前記触媒層の少なくとも一方の弾性率が500MPa以上である、膜電極接合体。
このような構成であれば、電解質層や触媒層を変形しにくくすることができるので、これらの剥離を容易に行うことが可能になる。
このような構成であれば、導電性を有する部材の露出した部分を起点として、触媒層、あるいは、ガス拡散層をこの部材から容易に剥離することができる。そのため、触媒層やガス拡散層の交換を容易に行うことが可能になる。なお、導電性を有する部材としては、例えば、導電性を有する多孔性部材を適用することが可能である。
このような構成であれば、タブ部を用いて容易に電解質層あるいは触媒層を剥離することができる。
このような構成であれば、複数の部材の間から剥離を行うことができるので、触媒層やガス拡散層を容易に交換することが可能になる。
このような製造方法であれば、電解質層や触媒層の交換を容易に行うことが可能になる膜電極接合体を提供することが可能になる。
このような製造方法であれば、触媒層やガス拡散層の交換を容易に行うことが可能になる膜電極接合体を提供することが可能になる。
このように、本発明は、膜電極接合体としての態様以外にも、燃料電池として構成することが可能である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ種々の実施例に基づき説明する。
図1は、本発明の第1実施例としての膜電極接合体100の概略構成を示す部分断面図である。本実施例の膜電極接合体100は、電解質層10と、電解質層10の一方の面側に配置されたカソード触媒層20およびカソード拡散層30と、電解質層10の他方の面側に配置されたアノード触媒層40およびアノード拡散層50と、を備えている。電解質層10とカソード触媒層20とは、2枚の多孔性部材15a,15bを介して隣接しており、カソード触媒層20とカソード拡散層30とは、2枚の多孔性部材15c,15dを介して隣接している。また、電解質層10とアノード触媒層40とは、2枚の多孔性部材15e,15fを介して隣接しており、アノード触媒層40とアノード拡散層50とは、2枚の多孔性部材15g,15hを介して隣接している。なお、以下では、多孔性部材15a~15hのことを、まとめて多孔性部材15という場合がある。また、カソード触媒層20およびアノード触媒層40を、単に、「触媒層」といい、カソード拡散層30およびアノード拡散層50を、単に、「拡散層」という場合がある。
図8は、第2実施例としての膜電極接合体100bの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材15が、電解質層10とカソード触媒層20との間に1枚だけ配置されている。このような構成であれば、多孔性部材15の上面あるいは下面に沿って剥離を行うことで、カソード触媒層20を容易に交換することが可能になる。また、多孔性部材15を、電解質層10とアノード触媒層40との間に1枚設ければ、アノード触媒層40を容易に交換することが可能になる。
図14は、第3実施例としての膜電極接合体100cの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、電解質層10とカソード触媒層20との間に2枚の多孔性部材15a,15bが配置されている。このような構成であれば、電解質層10やカソード触媒層20に損傷を与えることなく、電解質層10とカソード触媒層20との間を容易に剥離することが可能になる。また、電解質層10とアノード触媒層40との間に2枚の多孔性部材15を設ければ、電解質層10やアノード触媒層40に損傷を与えることなく電解質層10とアノード触媒層40との間を容易に剥がすことが可能になる。なお、電解質層10と触媒層20,40との間に2枚の多孔性部材15を配置する方法は、図9~13に示した方法において、1枚の多孔性部材15を示した部分をそのまま2枚の多孔性部材15に置き換えればよい。
図15は、第4実施例としての膜電極接合体100dの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材15が、電解質層10とカソード触媒層20との間、および、電解質層10とアノード触媒層40との間にそれぞれ1枚ずつ配置されている。このような構成であれば、2枚の多孔性部材15の上面あるいは下面からそれぞれ剥離を行うことで、電解質層10を容易に交換することが可能になる。
図16は、第5実施例としての膜電極接合体100eの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材15が、電解質層10とカソード触媒層20との間、および、電解質層10とアノード触媒層40との間にそれぞれ2枚ずつ配置されている。このような構成であれば、電解質層10やカソード触媒層20、アノード触媒層40に損傷を与えることなく容易に電解質層10を交換することが可能になる。
図17は、第6実施例としての膜電極接合体100fの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、多孔性部材15が、カソード触媒層20とカソード拡散層30との間に1枚だけ配置されている。このような構成であれば、多孔性部材15の上面あるいは下面に沿って剥離を行うことで、カソード拡散層30を容易に交換することが可能になる。また、多孔性部材15を、アノード触媒層40とアノード拡散層50との間に1枚配置すれば、多孔性部材15の上面あるいは下面に沿って剥離を行うことで、カソード拡散層30を容易に交換することが可能になる。なお、拡散層20,40は、カーボンペーパや金属メッシュなどの比較的強度の高い多孔質体で形成されているため、拡散層20,40と多孔性部材15との間を剥離することは比較的容易である。
図19は、第7実施例としての膜電極接合体100gの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、カソード触媒層20とカソード拡散層30との間に2枚の多孔性部材15c,15dが配置されている。このような構成であれば、カソード触媒層20やカソード拡散層30に損傷を与えることなく容易に、カソード拡散層30を交換することが可能になる。また、多孔性部材15を、アノード触媒層40とアノード拡散層50との間に2枚配置すれば、アノード触媒層40やアノード拡散層50に損傷を与えることなく容易にアノード拡散層50を交換することが可能になる。なお、触媒層20,40と拡散層30,50との間に2枚の多孔性部材15を配置する方法は、図18に示した方法において、1枚の多孔性部材15を示した部分をそのまま2枚の多孔性部材15に置き換えればよい。
図20は、第8実施例としての膜電極接合体100hの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、各構成部品の間すべてに1枚ずつ多孔性部材15が配置されている。このような構成であっても、各多孔性部材15の上面あるいは下面から剥離を行うことで、各構成部品の交換を行うことが可能である。
図21は、第9実施例としての膜電極接合体100iの概略構成を示す部分断面図である。本実施例では、電解質層10とカソード触媒層20との間、および、電解質層10とアノード触媒層40との間にそれぞれ2枚の多孔性部材15が配置され、カソード触媒層20とカソード拡散層30との間、および、アノード触媒層40とアノード拡散層50との間には、それぞれ1枚の多孔性部材15が配置されている。このような構成であれば、電解質層10やカソード触媒層20、アノード触媒層40に損傷を与えることなく、容易に、各構成部品を交換することが可能になる。
図22は、第1の変形例としての膜電極接合体100の概略構成を示す部分断面図である。本変形例では、多孔性部材15の周縁部において、隣り合う多孔性部材15同士が、それぞれ相反する方向に反るように構成されている。こうすることにより、容易に剥離を行うことが可能になる。多孔性部材15を反らせるには、例えば、多孔性部材の厚み方向の樹脂比率に勾配を持たせたり、くせ付け加工を行うことで可能である。また、熱膨張率の異なる樹脂を複層化して多孔性部材15を構成することで、剥離時に加熱して反らせることも可能である。
図23は、第2の変形例としての膜電極接合体100の態様を示す図である。この図23に示すように、拡散層30,50や触媒層20,40には、これらを複数の領域に分割するミシン目PFを設けてもよい。こうすることにより、拡散層30,50や触媒層20,40が部分的に劣化した場合に、その部分だけを切り離して交換することが可能になる。
上述した第1実施例では、多孔性部材15の周縁部とタブ部16との両方が、膜電極接合体100の各構成部品から露出していることとした。これに対して、タブ部16だけが、各構成部品から露出していてもよい。また、多孔性部材15の周縁部が各構成部品から露出していれば、タブ部16を省略することも可能である。そのほか、多孔性部材15の少なくとも一部が各構成部品から露出していればよく、他の部分が各構成部品よりも内側に配置されていても構わない。
上述した実施例では、電解質層10と触媒層20との間に配置する部材として、電解質を含浸させた多孔性部材を用いた。しかし、電解質層10と触媒層20との間に配置する部材としては、多孔性部材以外にも、例えば、電解質膜を適用することが可能である。この電解質膜は、電解質層10と同様の材料によって構成することも可能であるが、異なる材料によって構成されていることが好ましい。
図1に示した膜電極接合体100は、上述した製造方法に限らず種々の方法によって製造することが可能である。例えば、以下に説明する第1~第4工程によって製造することが可能である。まず、第1工程では、PTFEファインパウダに石油系助剤を所定量添加して所定時間(例えば、一晩程度)放置し、これをペースト押し出し機で成形してPTFEテープを得る。そして、このPTFEテープをテンター式同時2軸延伸機等により360℃程度の温度で30倍程度に延伸焼成し、目付けで0.3mg/cm2程度の多孔性部材(PTFE多孔体)を得る。
15,15a~15h…多孔性部材
16,16a~16e…タブ部
17,17a~17e…タブ嵌合部
20…カソード触媒層
30…カソード拡散層
40…アノード触媒層
50…アノード拡散層
100,100b~100i…膜電極接合体
200…セパレータ
210…開口部
210…水素供給用開口部
212…アノードオフガス排出用開口部
214…カソードオフガス排出用開口部
216…空気供給用開口部
218…冷却水供給用開口部
220…冷却水排出用開口部
PF…ミシン目
Claims (11)
- 膜電極接合体であって、
電解質層と、
触媒層と、
前記電解質層および前記触媒層の間に配置され、電解質が含浸された部材と、を備え、
前記部材の周縁部の少なくとも一部が、前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出している、
膜電極接合体。 - 請求項1に記載の膜電極接合体であって、
前記部材の、前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出した部分に、タブ部が設けられている、膜電極接合体。 - 請求項2に記載の膜電極接合体であって、
前記タブ部は、前記膜電極接合体からカソードオフガスが排出される部位付近に設けられている、膜電極接合体。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
前記部材が、前記電解質層と前記触媒層との間に複数設けられている、膜電極接合体。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の膜電極接合体であって、
前記電解質層と前記触媒層の少なくとも一方の弾性率が500MPa以上である、膜電極接合体。 - 膜電極接合体であって、
電解質層と、
触媒層と、
ガス拡散層と、
前記触媒層と前記ガス拡散層との間に配置され、導電性を有する部材と、を備え、
前記部材の周縁部の少なくとも一部が、前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出している、膜電極接合体。 - 請求項6に記載の膜電極接合体であって、
前記部材の、前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出した部分に、タブ部が設けられている、膜電極接合体。 - 請求項6または請求項7に記載の膜電極接合体であって、
前記部材が、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に複数設けられている、膜電極接合体。 - 電解質層と触媒層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
前記電解質層と前記触媒層との間に、少なくとも一部が前記電解質層および前記触媒層の周縁部よりも外側に露出する部材を配置する工程と、
前記部材に電解質を含浸させる工程と、
を備える製造方法。 - 電解質層と触媒層とガス拡散層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
前記触媒層と前記ガス拡散層との間に、少なくとも一部が前記触媒層および前記ガス拡散層の周縁部よりも外側に露出する導電性部材を配置する工程
を備える製造方法。 - 請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に隣接したセパレータと、
を備える燃料電池。
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