JP2007035459A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】 ガス拡散電極とガスケットとの間に隙間が形成されるのを抑制して電解質膜に反応ガスが直接接触するのを防止することにより、長期にわたって高い発電性能を維持することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 電解質膜100の両側に、電極触媒層111およびガス拡散層112を含む一対のガス拡散電極110が配置されてなる膜電極接合体を有する燃料電池において、
前記電解質膜100および前記ガス拡散電極110に接するように保護シート150が設けられた燃料電池である。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a formation of a gap between a gas diffusion electrode and a gasket and prevent a reactive gas from coming into direct contact with an electrolyte membrane, thereby maintaining a high power generation performance over a long period of time. Provide batteries.
A fuel cell having a membrane electrode assembly in which a pair of gas diffusion electrodes 110 including an electrode catalyst layer 111 and a gas diffusion layer 112 are disposed on both sides of an electrolyte membrane 100.
In this fuel cell, a protective sheet 150 is provided in contact with the electrolyte membrane 100 and the gas diffusion electrode 110.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に電解質膜に反応ガスが直接接触するのが防止された燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which reaction gas is prevented from coming into direct contact with an electrolyte membrane.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature.
固体高分子型燃料電池は、一般的には、図7に示すように、高分子電解質膜100を一対のガス拡散電極110で挟持されてなる膜電極接合体を、セパレータ120で挟持した構成を有する。ガス拡散電極110は、電極触媒層111およびガス拡散層112を有する。セパレータ120は、電極触媒層へ燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためのガス供給溝121が形成されている。また、膜電極接合体とセパレータとの間にガスケット130を配置して膜電極接合体のエッジ領域をシールすることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが相互に混合するのを防止している。 As shown in FIG. 7, the solid polymer fuel cell generally has a configuration in which a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane 100 is sandwiched between a pair of gas diffusion electrodes 110 is sandwiched between separators 120. Have. The gas diffusion electrode 110 has an electrode catalyst layer 111 and a gas diffusion layer 112. The separator 120 has a gas supply groove 121 for supplying fuel gas or oxidant gas to the electrode catalyst layer. Further, the gasket 130 is disposed between the membrane electrode assembly and the separator to seal the edge region of the membrane electrode assembly, thereby preventing the fuel gas and the oxidant gas from being mixed with each other.
また、特許文献1では、図8に示すように、ガス拡散層112の一部にガスケット形成材料を含浸させてフレーム基材131と接合させることにより、ガスケット130とガス拡散層111とを一体化させた燃料電池が開示されている。これにより、ガスケット130とガス拡散層111とを纏めて取り扱うことが可能となり、燃料電池セルまたはスタックの組立工数を削減し、組立作業を容易化することができる。
しかしながら、従来の燃料電池では、ガス拡散電極とガスケットとの端を完全に接触させることは困難であるため、図7に示すように、ガス拡散電極110とガスケット130との間に隙間140が形成される恐れがあった。 However, in the conventional fuel cell, it is difficult to completely contact the ends of the gas diffusion electrode and the gasket, so that a gap 140 is formed between the gas diffusion electrode 110 and the gasket 130 as shown in FIG. There was a fear.
このようにガス拡散電極110とガスケット130との間に隙間140が形成されると、高分子電解質膜100に燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスが直接接触することになり、高分子電解質膜100が孔開きなどにより劣化する恐れがあった。孔開きの発生は、プロトン伝導性の低下だけでなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスの対極へのガスリークを招き電池出力の低下にもつながる。 When the gap 140 is formed between the gas diffusion electrode 110 and the gasket 130 as described above, a reactive gas such as a fuel gas or an oxidant gas comes into direct contact with the polymer electrolyte membrane 100, and the polymer electrolyte membrane There was a possibility that 100 would deteriorate due to perforation or the like. The occurrence of perforation not only lowers proton conductivity but also causes gas leakage to the counter electrode of fuel gas and oxidant gas, leading to a reduction in battery output.
また、特許文献1記載の燃料電池では、ガス拡散層の一部にガスケット形成材料を含浸させてガスケットを形成させているため、高分子電解質膜に反応ガスが直接接触することを防止することができる。しかしながら、ガス拡散層においてガスケットが形成された部分ではガス拡散機能を失い、燃料電池の発電性能が低下する恐れがある。 Further, in the fuel cell described in Patent Document 1, since a gasket is formed by impregnating a part of the gas diffusion layer with a gasket forming material, it is possible to prevent the reaction gas from directly contacting the polymer electrolyte membrane. it can. However, the gas diffusion function is lost at the portion where the gasket is formed in the gas diffusion layer, and the power generation performance of the fuel cell may be reduced.
そこで、本発明の目的は、ガス拡散電極とガスケットとの間に隙間が形成されるのを抑制して電解質膜に反応ガスが直接接触するのを防止することにより、長期にわたって高い発電性能を維持することができる燃料電池を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to maintain high power generation performance over a long period of time by preventing the formation of a gap between the gas diffusion electrode and the gasket and preventing the reactive gas from directly contacting the electrolyte membrane. It is to provide a fuel cell that can be used.
本発明は、電解質膜の両側に、電極触媒層およびガス拡散層を含む一対のガス拡散電極が配置されてなる膜電極接合体を有する燃料電池において、
前記電解質膜および前記ガス拡散電極に接するように保護シートが設けられた燃料電池である。
The present invention provides a fuel cell having a membrane electrode assembly in which a pair of gas diffusion electrodes including an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both sides of an electrolyte membrane.
The fuel cell is provided with a protective sheet so as to be in contact with the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode.
本発明によれば、ガス不透過性の保護シートを設けることにより、反応ガスが直接接触することによる電解質膜の劣化を抑制でき、長期にわたって高い発電性能を発揮することができる燃料電池を提供することが可能となる。 According to the present invention, by providing a gas-impermeable protective sheet, it is possible to suppress the deterioration of the electrolyte membrane caused by direct contact of the reaction gas, and to provide a fuel cell that can exhibit high power generation performance over a long period of time. It becomes possible.
まず、本発明の燃料電池の好ましい一実施形態を図1を用いて説明する。 First, a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
本発明の燃料電池は、図1に示すように、電解質膜100の両側に電極触媒層111およびガス拡散層112を含む一対のガス拡散電極110が配置されてなる膜電極接合体において、前記電解質膜100および前記ガス拡散電極110に接するように保護シート150を設ける構成を有する。また、前記燃料電池は、膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためのガス流路121を有するセパレータ120、および、これらのガスをシールするためのガスケット130などを有する。 As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention includes a membrane electrode assembly in which a pair of gas diffusion electrodes 110 including an electrode catalyst layer 111 and a gas diffusion layer 112 are disposed on both sides of an electrolyte membrane 100. A protective sheet 150 is provided in contact with the film 100 and the gas diffusion electrode 110. The fuel cell also includes a separator 120 having a gas flow path 121 for supplying fuel gas or oxidant gas to the membrane electrode assembly, a gasket 130 for sealing these gases, and the like.
このように本発明の燃料電池では、電解質膜に燃料ガスまたは酸化剤ガスが直接接触するのを防止するための保護シートを電解質膜およびガス拡散電極と接するように設けることで、ガス拡散層における樹脂含浸部分、および、ガス拡散電極とガスケットとの間に形成され得る隙間を抑制することができる。これにより、外部から燃料電池内部に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスなどが電解質膜に直接接触するのを抑制でき、燃料電池の発電性能を低下させることなく電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。また、保護シートにより電解質膜が保護されるため、ガスケットの荷重が電解質膜に直接かかることを抑制することもできる。 As described above, in the fuel cell of the present invention, the protective sheet for preventing the fuel gas or the oxidant gas from coming into direct contact with the electrolyte membrane is provided so as to be in contact with the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode. It is possible to suppress the resin-impregnated portion and the gap that can be formed between the gas diffusion electrode and the gasket. As a result, fuel gas or oxidant gas supplied from the outside into the fuel cell can be prevented from coming into direct contact with the electrolyte membrane, and deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed without degrading the power generation performance of the fuel cell. It becomes possible. In addition, since the electrolyte membrane is protected by the protective sheet, it is possible to prevent the gasket load from being applied directly to the electrolyte membrane.
本発明の燃料電池において、保護シートは、図1に示すように、中央部がガス拡散層とほぼ同等の大きさにカットされたものを用い、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部と接するようにL字型に配置されるのが好ましい。これにより、ガス拡散層のガス拡散機能を低下させずに、ガスケットとガス拡散電極との隙間を確実に抑制することが可能となる。 In the fuel cell of the present invention, as shown in FIG. 1, the protective sheet has a central portion cut to a size substantially equal to that of the gas diffusion layer, and includes a peripheral portion of the electrolyte membrane and a side portion of the gas diffusion electrode. It is preferable that it is arranged in an L shape so as to contact with. Thereby, it is possible to reliably suppress the gap between the gasket and the gas diffusion electrode without deteriorating the gas diffusion function of the gas diffusion layer.
なお、電解質膜の周縁部とは、電解質膜のガス拡散電極が形成される面において、ガス拡散電極が形成される中央部を除く部位を意味する。 The peripheral edge of the electrolyte membrane means a portion excluding the central portion where the gas diffusion electrode is formed on the surface of the electrolyte membrane where the gas diffusion electrode is formed.
前記保護シートは、中央部がガス拡散層とほぼ同等の大きさにカットされたものを用いるが、より望ましくは中央部がガス拡散層と同等の大きさにカットされたものを用いる。 As the protective sheet, a sheet whose central portion is cut to approximately the same size as the gas diffusion layer is used, and more preferably, the central portion is cut to a size equal to that of the gas diffusion layer.
前記燃料電池に用いられる保護シートの形状は、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部と接するものであれば特に制限されないが、例えば、図2(A)に示すように円錐台形状、図2(B)に示すように円柱台形状、または図3に示すように平板状などが好ましく挙げられる。保護シートの形状が、円錐台形状または円柱台形状であれば保護シートの設置を速やかに行うことができ、平板状であれば保護シートの加工を速やかに行うことができる。 The shape of the protective sheet used in the fuel cell is not particularly limited as long as it is in contact with the peripheral edge portion of the electrolyte membrane and the side surface portion of the gas diffusion electrode. For example, as shown in FIG. A cylindrical trapezoidal shape as shown in FIG. 2 (B) or a flat plate shape as shown in FIG. 3 is preferable. If the shape of the protective sheet is a truncated cone shape or a cylindrical trapezoidal shape, the protective sheet can be installed quickly, and if it is flat, the protective sheet can be processed quickly.
保護シートにおいて、ガス拡散層とほぼ同等の大きさにカットされる中央部の形状は、ガス拡散層の形状に応じて適宜決定すればよく、長方形、正方形などの四角、三角などの多角形状、円状、楕円状などであってもよい。 In the protective sheet, the shape of the central portion that is cut to approximately the same size as the gas diffusion layer may be appropriately determined according to the shape of the gas diffusion layer, a rectangle such as a rectangle, a square such as a square, a polygon such as a triangle, It may be circular or elliptical.
本発明の燃料電池では、上述の通り、保護シートはL字型に配置されるのが好ましい。従って、平板状の保護シートを用いた場合には、後述する通りであるが、平板状保護シートを電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面にかぶせた後、所定の部材を用いて圧力などを加えることにより保護シートをL字型に配置するのがよい。 In the fuel cell of the present invention, as described above, the protective sheet is preferably arranged in an L shape. Therefore, when a flat protective sheet is used, as described later, after covering the peripheral edge of the electrolyte membrane and the side surface of the gas diffusion electrode, pressure or the like using a predetermined member is used. It is preferable to arrange the protective sheet in an L shape by adding.
また、本発明の燃料電池において、保護シートは、少なくとも二以上に分割して配置してもよい。例えば、図4に示すように、四つに分割された平板状の保護シート152(図4(A))を、ガス拡散電極110の側面部と接するように電解質膜の周縁部上に配置する(図4(B))のが望ましい。なお、図4(B)は、分割された保護シートが配置された膜電極接合体の上面模式図を示す。これにより、ガス拡散電極の側面に保護シートを容易に接着することができる。 In the fuel cell of the present invention, the protective sheet may be divided into at least two or more. For example, as shown in FIG. 4, a flat protective sheet 152 (FIG. 4A) divided into four parts is disposed on the peripheral part of the electrolyte membrane so as to be in contact with the side part of the gas diffusion electrode 110. (FIG. 4B) is desirable. FIG. 4B is a schematic top view of the membrane electrode assembly in which the divided protective sheets are arranged. Thereby, a protective sheet can be easily adhere | attached on the side surface of a gas diffusion electrode.
前記燃料電池において、前記分割された保護シート同士が隣接する部分は、接着剤などにより固定されているのが好ましい。これにより、保護シートの位置ずれなどを防止することができる。接着剤により固定される部位は、膜電極接合体上に配置された際に、前記分割された保護シート同士が接触するまたは重なり合う、前記分割された保護シートの側面や端部などである。 In the fuel cell, a portion where the divided protective sheets are adjacent to each other is preferably fixed with an adhesive or the like. Thereby, position shift of a protection sheet, etc. can be prevented. The site | part fixed by an adhesive agent is a side surface, an edge part, etc. of the divided | segmented protective sheet which the said divided protective sheets contact or overlap when arrange | positioned on a membrane electrode assembly.
また、本発明の燃料電池では保護シートは図1に示すようにL字型に配置されるのが好ましい。従って、分割された保護シートを電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面にかぶせた後、所定の部材を用いて圧力などを加えることにより保護シートをL字型に配置するのがよい。 In the fuel cell of the present invention, the protective sheet is preferably arranged in an L shape as shown in FIG. Therefore, after the divided protective sheet is placed on the peripheral edge of the electrolyte membrane and the side surface of the gas diffusion electrode, the protective sheet is preferably arranged in an L shape by applying pressure or the like using a predetermined member.
本発明の燃料電池において、上述した保護シートは、好ましくはガス拡散電極の側面と接触して配置されるが、このとき、保護シート150のガス拡散電極110側に配置される内側側面は、図5に示すようにガス拡散層112のセパレータ側の面と同等の高さとなるように配置するのが望ましい。これにより、保護シートによるガス拡散層のガス拡散機能の低下を抑制することができる。なお、図5は、保護シートが配置された膜電極接合体の片側端部の断面模式図である。 In the fuel cell of the present invention, the above-described protective sheet is preferably disposed in contact with the side surface of the gas diffusion electrode. At this time, the inner side surface disposed on the gas diffusion electrode 110 side of the protective sheet 150 is illustrated in FIG. As shown in FIG. 5, it is desirable to arrange the gas diffusion layer 112 so as to have the same height as the separator side surface. Thereby, the fall of the gas diffusion function of the gas diffusion layer by a protective sheet can be suppressed. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of one end portion of the membrane electrode assembly in which the protective sheet is disposed.
また、本発明の燃料電池において、図5に示すように、ガス拡散電極110の側面と保護シート150とを接着剤160により接着させるのが好ましい。すなわち、本発明の燃料電池の好ましい形態としては、保護シートが電解質膜および/またはガス拡散電極と接着剤により接着されているのが好ましい。これにより、保護シートの位置ずれなどを防止することができる。 Further, in the fuel cell of the present invention, as shown in FIG. 5, it is preferable that the side surface of the gas diffusion electrode 110 and the protective sheet 150 are bonded with an adhesive 160. That is, as a preferred form of the fuel cell of the present invention, the protective sheet is preferably bonded to the electrolyte membrane and / or the gas diffusion electrode with an adhesive. Thereby, position shift of a protection sheet, etc. can be prevented.
接着剤により保護シートを接着させる部位は、保護シートが電解質膜および/またはガス拡散電極と接触される部位であれば特に制限されないが、特に好ましくは図5に示すようにガス拡散電極110の側面と保護シート150とを接着剤160により接着させる。これにより、電解質膜に反応ガスが直接接触するのを抑制し、電解質膜の劣化を防ぐことができる。 The part to which the protective sheet is adhered by the adhesive is not particularly limited as long as the protective sheet is a part in contact with the electrolyte membrane and / or the gas diffusion electrode, but particularly preferably, the side surface of the gas diffusion electrode 110 as shown in FIG. And the protective sheet 150 are adhered by an adhesive 160. Thereby, it can suppress that a reactive gas contacts a electrolyte membrane directly, and can prevent deterioration of an electrolyte membrane.
接着剤を塗布する厚さは、好ましくは0.05mm〜0.1mm、より好ましくは0.05mm〜0.07mmとするのがよい。前記厚さが、厚すぎると接着剤によるガス拡散層のガス拡散機能が低下する恐れがあり、薄すぎると接着剤による十分な接着効果が得られない。 The thickness for applying the adhesive is preferably 0.05 mm to 0.1 mm, more preferably 0.05 mm to 0.07 mm. If the thickness is too thick, the gas diffusion function of the gas diffusion layer by the adhesive may be lowered, and if it is too thin, sufficient adhesive effect by the adhesive cannot be obtained.
前記接着剤としては、ガス拡散電極の側面と保護シートとを密接に接着できるものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。 The adhesive is not particularly limited as long as it can closely adhere the side surface of the gas diffusion electrode and the protective sheet, but hot melt adhesives such as polyolefin, polypropylene, thermoplastic elastomer, acrylic adhesives, polyesters, etc. An olefin-based adhesive such as polyolefin can be used.
前記保護シートの材質としては、燃料ガスや酸化剤ガスなどを透過させないものであれば特に制限されないが、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、およびポリエーテルニトリル(PEN)よりなる群から選択される少なくとも一種が好ましく挙げられる。これらであれば、安価に入手することができる。保護シートは、これらの材質のうち一種単独のものからなってもよく、二種以上のものを併用して用いてもよい。 The material of the protective sheet is not particularly limited as long as it does not allow fuel gas or oxidant gas to permeate, but polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide ( PI) and at least one selected from the group consisting of polyether nitrile (PEN) are preferred. These can be obtained at low cost. The protective sheet may be made of one of these materials, or two or more of them may be used in combination.
前記保護シートの厚さは、前記保護シートが電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面と接触するようにL字型に配置されるように適宜決定すればよいが、好ましくは10〜200μm、より好ましくは25〜50μmとするのがよい。 The thickness of the protective sheet may be appropriately determined so that the protective sheet is arranged in an L shape so as to be in contact with the peripheral portion of the electrolyte membrane and the side surface of the gas diffusion electrode, preferably 10 to 200 μm, More preferably, it is good to set it as 25-50 micrometers.
本発明の燃料電池において上述した通りに保護シートを配置するには、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部に保護シートをかぶせた後、保護シートと電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部とが接触して保護シートがL字型に配置されるように所定の部材を用いて圧力を加えるなどするのがよい。 In order to arrange the protective sheet as described above in the fuel cell of the present invention, the protective sheet is placed on the peripheral portion of the electrolyte membrane and the side surface portion of the gas diffusion electrode, and then the peripheral portion of the protective sheet and the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode. It is preferable to apply pressure by using a predetermined member so that the protective sheet is arranged in an L shape by contacting the side surface portion of the protective sheet.
平板状の保護シートの作製方法としては、特に制限されないが、所定の大きさを有するシートの中央部をガス拡散層の大きさに合わせて、型抜き、または、切り出し等の方法をなどを用いてカットすればよい。 The method for producing the flat protective sheet is not particularly limited, but a method such as die cutting or cutting is used according to the size of the gas diffusion layer at the center of the sheet having a predetermined size. And cut it.
この時、カットする部分の形状は、四角、三角などの多角形状、円状、楕円状など、ガス拡散層の大きさ、形状に合わせて決定すればよい。また、平板状の保護シートをL字型に配置した際に、平板状の保護シートと、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面とが接するようにするため、カットする部分の大きさはガス拡散層の大きさよりも小さくするのが望ましい。具体的には、カットする部分の大きさをガス拡散層の大きさよりも一辺あたり0.1〜1.0mmほど小さくなるようにするのがよい。 At this time, the shape of the portion to be cut may be determined according to the size and shape of the gas diffusion layer, such as a polygonal shape such as a square or a triangle, a circular shape, or an elliptical shape. Also, when the flat protective sheet is arranged in an L shape, the flat protective sheet is in contact with the peripheral edge of the electrolyte membrane and the side surface of the gas diffusion electrode. It is desirable to make it smaller than the size of the gas diffusion layer. Specifically, it is preferable that the size of the portion to be cut is smaller by 0.1 to 1.0 mm per side than the size of the gas diffusion layer.
円錐台形状、円柱台形状の保護シートの作製方法としては、例えば、図6に示すように、保護シート150の周縁部を金属枠などの枠170で固定した後に、前記保護シートの中央部を四角柱や円柱などの所定の形状を有する部材180で打ち抜く方法などが用いられる。なお、図6(A)は枠170で固定された保護シートの上面図であり、図6(B)は図6(A)におけるA−A’線での断面図を示す。 For example, as shown in FIG. 6, the peripheral portion of the protective sheet 150 is fixed with a frame 170 such as a metal frame, and then the central portion of the protective sheet is used as a method for producing a truncated cone-shaped or cylindrical trapezoidal protective sheet. A method of punching with a member 180 having a predetermined shape such as a quadrangular column or a cylinder is used. 6A is a top view of the protective sheet fixed by the frame 170, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line A-A 'in FIG. 6A.
前記部材180の底面は、ガス拡散層の大きさとほぼ同等の大きさを有しているのがよい。前記部材180の底面の形状は、ガス拡散層の大きさによって適宜決定されればよく、長方形、正方形などの四角、三角などの多角形状、円状、楕円状などの形状を取り得る。 The bottom surface of the member 180 may have a size substantially equal to the size of the gas diffusion layer. The shape of the bottom surface of the member 180 may be appropriately determined depending on the size of the gas diffusion layer, and may be a rectangle such as a rectangle or a square, a polygon such as a triangle, a circle or an ellipse.
保護シートを複数に分割するには、所望の大きさを有するシートの中央部をガス拡散層とほぼ同等の大きさに上述したのと同様の方法を用いてカットし、このようにして得られた保護シートをさらに二以上に分割することにより得られる。この分割した保護シートを膜電極接合体に配置するには、前記分割した保護シートを個々に接着剤で張り合わせた後に、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部にかぶせるのがよい。分割した保護シートを個々に接着剤で張り合わせるには、電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部に保護シートを配置した際に、分割した保護シート同士が接触および/または重なる部位に、接着剤を塗布して分割した保護シートを張り合わせればよい。分割した保護シートを接着するための前記接着剤およびその塗布方法は、後述するのと同様の方法が用いられる。 In order to divide the protective sheet into a plurality of sheets, the central portion of the sheet having a desired size is cut into a size substantially equal to that of the gas diffusion layer using the same method as described above, and thus obtained. It is obtained by further dividing the protective sheet into two or more. In order to dispose the divided protective sheet on the membrane electrode assembly, the divided protective sheets are preferably bonded to each other with an adhesive and then covered with the peripheral edge portion of the electrolyte membrane and the side surface portion of the gas diffusion electrode. In order to individually bond the divided protective sheets with an adhesive, when the protective sheets are arranged on the peripheral edge portion of the electrolyte membrane and the side surface portion of the gas diffusion electrode, the divided protective sheets are in contact with and / or overlapped with each other. What is necessary is just to stick the protective sheet which apply | coated and divided | segmented the adhesive agent. As the adhesive for bonding the divided protective sheet and the coating method thereof, the same method as described later is used.
保護シートを電解質膜の周縁部およびガス拡散電極の側面部と接するようにL字型に配置するには、燃料電池を組立てる際の締結圧などを用いることができる。すなわち、保護シートがかぶせられた電解質膜周縁部上にガスケットを配置した後、さらにセパレータで挟持して締結する際の締結圧により、保護シートをL字型に配置することもできる。 In order to arrange the protective sheet in an L shape so as to be in contact with the peripheral edge portion of the electrolyte membrane and the side surface portion of the gas diffusion electrode, a fastening pressure at the time of assembling the fuel cell can be used. That is, after the gasket is disposed on the periphery of the electrolyte membrane covered with the protective sheet, the protective sheet can also be disposed in an L shape by a fastening pressure when sandwiched and fastened by a separator.
保護シートがかぶせられた膜電極接合体において、保護シートのガス拡散電極側に配置された内側側面がガス拡散層のセパレータ側の面よりも高く配置された場合、または、保護シートのガス拡散電極側に配置された内側側面の少なくとも一部がガス拡散層のセパレータ側の面を被覆した場合には、切取る、研磨する方法などを用いて、図5に示すように保護シートのガス拡散電極側に配置される内側側面をガス拡散層のセパレータ側の面と同等の高さとなるように調整するのが望ましい。 In the membrane electrode assembly covered with the protective sheet, when the inner side surface arranged on the gas diffusion electrode side of the protective sheet is arranged higher than the separator side surface of the gas diffusion layer, or the gas diffusion electrode of the protective sheet When at least a part of the inner side surface disposed on the side covers the separator side surface of the gas diffusion layer, the gas diffusion electrode of the protective sheet is cut as shown in FIG. It is desirable to adjust the inner side surface arranged on the side so as to have the same height as the surface of the gas diffusion layer on the separator side.
また、保護シートと電解質膜の周縁部および/またはガス拡散電極の側面部とを接着剤により接着する場合には、まず、ロールコーティング法、カーテンコーティング法、押し出しコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法などの一般的な方法を用いて、電解質膜の周縁部、ガス拡散電極の側面部、および/または保護シートのガス拡散電極と接し得る部位に接着剤を塗布した後、保護シートをかぶせればよい。 When the protective sheet and the peripheral edge of the electrolyte membrane and / or the side surface of the gas diffusion electrode are bonded with an adhesive, first, the roll coating method, curtain coating method, extrusion coating method, spin coating method, dip coating are used. Using a general method such as a coating method, a bar coating method, a spray coating method, a slide coating method, a print coating method, and the like, and a peripheral portion of an electrolyte membrane, a side portion of a gas diffusion electrode, and / or a gas diffusion electrode of a protective sheet What is necessary is just to cover a protective sheet after apply | coating an adhesive agent to the site | part which can contact.
本発明の燃料電池は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが電解質膜に直接接触するのを防止するための保護シートが上述の通りに配置されてなることを特徴とするものであり、その他の構成としては従来一般的な燃料電池と同様である。以下に、燃料電池の構成について、一例を挙げて説明するが、本発明の燃料電池の構成が下記に限定されるわけではない。 The fuel cell of the present invention is characterized in that the protective sheet for preventing the fuel gas or the oxidant gas from coming into direct contact with the electrolyte membrane is arranged as described above. Is the same as that of a conventional general fuel cell. Hereinafter, the configuration of the fuel cell will be described with an example, but the configuration of the fuel cell of the present invention is not limited to the following.
前記燃料電池は、電解質膜の両側に、電極触媒層およびガス拡散層を含む一対のガス拡散電極、すなわち、カソード触媒層およびガス拡散層を含むカソード側ガス拡散電極と、アノード触媒層およびガス拡散層を含むアノード側ガス拡散電極が配置されてなる膜電極接合体を有する。 The fuel cell includes a pair of gas diffusion electrodes including an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of an electrolyte membrane, that is, a cathode gas diffusion electrode including a cathode catalyst layer and a gas diffusion layer, an anode catalyst layer, and a gas diffusion. It has a membrane electrode assembly in which an anode side gas diffusion electrode including a layer is arranged.
アノードおよびカソードに用いられる触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質と、を含む。 The catalyst layer used for the anode and the cathode includes an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier, and a polymer electrolyte.
カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、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、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できる。 The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used.
電極触媒における導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。 The electroconductive carrier in the electrode catalyst may be any electroconductive carrier as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. Is preferred. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like.
本発明のカソードおよびアノードに用いられる各触媒層に用いられる高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。具体的には、Nafion(登録商標、DuPont社製)、Flemion(登録商標、旭硝子株式会社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体、などが挙げられる。 The polymer electrolyte used for each catalyst layer used in the cathode and anode of the present invention is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Specifically, perfluorocarbon polymers having a sulfonic acid group, such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), phosphoric acid, etc. Hydrocarbon polymer compound doped with inorganic acid such as organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, polymer matrix impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution And proton conductors.
アノードおよびカソードにおける各触媒層の厚さは、好ましくは1〜20μm、より好ましくは5〜20μmとするのがよい。触媒層の厚さが、1μmを超えると反応ガスの拡散性が低下して発電性能が低下する恐れがあり、20μm未満であると十分な発電性能が得られない恐れがある。 The thickness of each catalyst layer in the anode and the cathode is preferably 1 to 20 μm, more preferably 5 to 20 μm. If the thickness of the catalyst layer exceeds 1 μm, the diffusibility of the reaction gas may decrease and power generation performance may decrease, and if it is less than 20 μm, sufficient power generation performance may not be obtained.
次に、アノードおよびカソードにおけるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状の基材からなるものなどが挙げられる。 Next, the gas diffusion layer in the anode and the cathode is not particularly limited, and known ones can be used in the same manner. For example, the conductive and porous properties such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric are used. The thing which consists of a sheet-like base material which has is mentioned.
前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。 The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.
前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。 Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。 The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area.
前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。 Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.
前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは10〜150μm、より好ましくは30〜70μmとするのがよい。 The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer, but is preferably 10 to 150 μm, more preferably 30 to 70 μm.
膜電極接合体に用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、DuPont社製の各種のNafion(DuPont社登録商標)やFlemion(登録商標、旭硝子株式会社製)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている高分子電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等などの液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。 The polymer electrolyte membrane used for the membrane electrode assembly is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the catalyst layer. In addition, various types of Nafion manufactured by DuPont (registered trademark of DuPont) and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Co., and ethylene-tetrafluoride Fluorine polymer electrolytes such as ethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbon polymer resin membranes having sulfonic acid groups, such as polymer electrolyte membranes that are generally commercially available , A polymer microporous membrane made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. impregnated with a liquid electrolyte such as phosphoric acid or ionic liquid, and a porous body with a polymer electrolyte You may use the film | membrane filled with. The polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but the adhesion between each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the properties, it is preferable to use the same one.
膜電極接合体は、セパレータで挟持されて燃料電池に用いられる。前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、酸化剤ガスと燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 The membrane electrode assembly is sandwiched between separators and used for a fuel cell. The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating the oxidant gas and the fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
また、各ガス拡散電極に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、膜電極接合体とセパレータとの間にガスケットを配置して膜電極接合体のエッジ領域をシールするのが望ましい。 In order to prevent the gas supplied to each gas diffusion electrode from leaking to the outside, a gasket is disposed between the membrane electrode assembly and the separator to seal the edge region of the membrane electrode assembly. desirable.
前記ガスケットを構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。 As the material constituting the gasket, rubber materials such as fluorine rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, Examples thereof include fluorine-based polymer materials such as tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester.
ガスケットの厚さとしては、50μm〜2mm、望ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。 The thickness of the gasket may be 50 μm to 2 mm, preferably about 100 μm to 1 mm.
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池、に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子型燃料電池が好ましく挙げられる。 The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. However, in addition to the above, an alkaline fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, Typical examples include acid electrolyte fuel cells, direct methanol fuel cells, and micro fuel cells. Among these, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output.
本発明の燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、軽量、小型化が可能であることから自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。 The fuel cell of the present invention is useful as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space in addition to a stationary power source. Especially, since it is lightweight and can be reduced in size, it is especially preferable to use as a power supply for moving bodies, such as a motor vehicle.
以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.
(実施例1)
1.膜電極接合体の製造
(1)ガス拡散層の製造
基材としてカーボンペーパ(東レ株式会社製 TGP−H−060、厚さ200μm)を用い、これを100mm×100mm角に打ち抜いた後、PTFEの水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製 D1、PTFE60質量%含有)を純水で所定の濃度に希釈した溶液中に2分間浸漬させた後、オーブン内にて60℃、10分間乾燥させることにより、基材の撥水処理を行った。このとき、基材中のPTFE含有量は20質量%であった。
Example 1
1. Manufacture of membrane electrode assembly (1) Manufacture of gas diffusion layer Carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 200 μm) was used as a base material, and after punching it into 100 mm × 100 mm square, PTFE An aqueous dispersion solution (D1 manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing 60% by mass of PTFE) was immersed in a solution diluted to a predetermined concentration with pure water for 2 minutes, and then dried in an oven at 60 ° C. for 10 minutes. The substrate was subjected to a water repellent treatment. At this time, the PTFE content in the substrate was 20% by mass.
(2)触媒インク調製
白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E、白金含量46.5wt%)10g、固体高分子電解質溶液(DuPont社製 Nafion溶液DE520、電解質含量5wt%)90g、純水25g、2−プロパノール(和光純薬工業社製 特級試薬)10gを、20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、触媒インクとした。
(2) Preparation of catalyst ink Platinum-supported carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, platinum content 46.5 wt%) 10 g, solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%) 90 g, pure water 25 g Then, 10 g of 2-propanol (special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was mixed and dispersed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C. to obtain a catalyst ink. .
(2)電極触媒層の作製
厚さ200μmのPTFE製シート(ニチアス社製ナフロン(登録商標)シート)の片面上に、スクリーンプリンターを用いて先に調製した触媒インクを塗布し、オーブン中で100℃、30分間乾燥させた後、一辺10cmの正方形に切り出した。
(2) Preparation of electrode catalyst layer The catalyst ink prepared previously using a screen printer was applied to one side of a 200-μm-thick PTFE sheet (Naflon (registered trademark) sheet manufactured by Nichias) and 100 in an oven. After drying at ° C. for 30 minutes, it was cut into a 10 cm square.
(3)膜電極接合体の組立て
一辺20cmの正方形で厚さ30μmの高分子電解質膜(DuPont社製Nafion NR−112)を挟んで、先に作製した2枚の電極触媒層形成PTFE製シートの電極触媒層形成側が対向するように重ねて、片側PTFE製シートあたり3MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスし、冷却後PTFE製シートのみを剥がすことで、高分子電解質膜に電極触媒層を転写させ接合体を得た。このとき、PTFE製シートから高分子電解質膜への電極触媒層の転写率が100%で、高分子電解質膜上の片面電極触媒層面積1cm2あたりの白金重量が0.40mgとなるようにした。また、電極触媒層の厚さは、それぞれ10μmであった。
(3) Assembly of membrane electrode assembly The two electrode catalyst layer-formed PTFE sheets prepared above with a polymer electrolyte membrane (Nafion NR-112 made by DuPont) having a square of 20 cm on each side and a thickness of 30 μm are sandwiched. The electrode catalyst layers are stacked so that the electrode catalyst layer forming sides face each other, and hot pressed at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 3 MPa per one side of PTFE sheet, and after cooling, only the PTFE sheet is peeled off, thereby removing the electrode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane Was transferred to obtain a joined body. At this time, the transfer rate of the electrode catalyst layer from the PTFE sheet to the polymer electrolyte membrane was 100%, and the platinum weight per 1 cm 2 of the single-sided electrode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane was 0.40 mg. . Moreover, the thickness of the electrode catalyst layer was 10 μm, respectively.
得られた接合体を、先に作製したガス拡散層を2枚用いて挟持することにより膜電極接合体を得た。 The obtained joined body was sandwiched between two previously prepared gas diffusion layers to obtain a membrane electrode assembly.
2.保護シートの配置
図6に示すように、ポリエチレンナフタレート(PEN)の材質からなるシート(大きさ200mm×200mm、厚さ25μm)の周縁部をステンレス製枠で固定した後、四角柱状のステンレス製カッター(大きさ100mm×100mm×250mm)を用いて前記シートの中央部を打ち抜くことにより、中央部がカットされた四角錐台形状の保護シートを得た。
2. Arrangement of protective sheet As shown in FIG. 6, after fixing the periphery of a sheet (size 200 mm × 200 mm, thickness 25 μm) made of polyethylene naphthalate (PEN) with a stainless steel frame, it is made of stainless steel in the shape of a square pillar By punching out the central portion of the sheet using a cutter (size: 100 mm × 100 mm × 250 mm), a square frustum-shaped protective sheet with the central portion cut was obtained.
次に、ポリオレフィンからなる接着剤をロールコーティング法を用いて中央部がカットされた保護シートの接着部に厚さ0.07mmに塗布した後、前記保護シートを先に作製した膜電極接合体にかぶせた。これと同様にして膜電極接合体の他方の面にも保護シートをかぶせた。 Next, an adhesive made of polyolefin is applied to the adhesive portion of the protective sheet whose central portion has been cut using a roll coating method to a thickness of 0.07 mm, and then the protective sheet is applied to the membrane electrode assembly prepared previously. I covered it. In the same manner, a protective sheet was placed on the other surface of the membrane electrode assembly.
その後、保護シートがかぶせられた高分子電解質膜の周縁部上に、ポリテトラフルオロエチレンからなる額縁状のガスケット(厚さ0.25mm)を配置した後、高分子電解質膜の他方の面にも同様にしてガスケットを配置し、さらに、膜電極接合体をグラファイト製セパレータで挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。 Thereafter, a frame-shaped gasket (thickness: 0.25 mm) made of polytetrafluoroethylene is disposed on the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane covered with the protective sheet, and then also on the other surface of the polymer electrolyte membrane. Similarly, a gasket was disposed, and the membrane / electrode assembly was sandwiched between graphite separators, and further sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates to obtain evaluation single cells.
3.単セル評価
上記で作製した評価用単セルの発電試験を下記手順に従って行った。
3. Single Cell Evaluation A power generation test of the single cell for evaluation produced above was performed according to the following procedure.
評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素は70℃および相対湿度100%、空気は70℃および相対湿度100%、セル温度は70℃に設定し、水素利用率は60%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cm2にて3分発電した後、発電を停止した。停止後、水素および空気の供給を停止し、乾燥空気を単セルに供給しセル内を1分間置換した後、2分間アノード側に水素ガスを上記利用率で供給した。その後、カソード側に空気を上記と同様の利用率で供給し、再度発電した。この発電/停止動作を繰り返し、発電/停止サイクル試験中に無負荷時電圧が初期値から0Vに低下するまでの回数を測定した。結果を図9に示す。 In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. For both gases, the cell outlet pressure is atmospheric pressure, hydrogen is set to 70 ° C. and relative humidity 100%, air is set to 70 ° C. and relative humidity 100%, cell temperature is set to 70 ° C., hydrogen utilization rate is 60%, air utilization rate Was 40%. Under this condition, power generation was stopped after 3 minutes of power generation at a current density of 1.0 A / cm 2 . After stopping, the supply of hydrogen and air was stopped, dry air was supplied to the single cell, the inside of the cell was replaced for 1 minute, and then hydrogen gas was supplied to the anode side for 2 minutes at the above utilization rate. Thereafter, air was supplied to the cathode side at the same utilization rate as above, and power was generated again. This power generation / stop operation was repeated, and the number of times until the no-load voltage decreased from the initial value to 0 V was measured during the power generation / stop cycle test. The results are shown in FIG.
(実施例2)
ポリエチレンナフタレートからなるシート(大きさ200mm×200mm、厚さ25μm)の中央部を、100mm×100mmの大きさにカットすることにより、中央部がカットされた平板状の保護シートを作製した。前記保護シートを用いた以外は、実施例1と同様にして評価用単セルを組み立てた。
(Example 2)
The center part of the sheet | seat (size 200 mm x 200 mm, thickness 25 micrometers) which consists of polyethylene naphthalate was cut into the magnitude | size of 100 mm x 100 mm, and the flat protective sheet from which the center part was cut was produced. A single cell for evaluation was assembled in the same manner as in Example 1 except that the protective sheet was used.
(実施例3)
ポリエチレンナフタレートからなるシート(大きさ200mm×200mm、厚さ25μm)の中央部を、100mm×100mmの大きさにカットした後に、図4(A)に示すように四分割し、各分割された保護シートの端部側面にポリオレフィンからなる接着剤をロールコーティング法を用いて塗布した後、この分割された保護シートを図4(B)に示す保護シート152のように張り合わせて、保護シートを作製した。前記保護シートを用いた以外は、実施例1と同様にして評価用単セルを組み立てた。
(Example 3)
After the central part of a sheet made of polyethylene naphthalate (size: 200 mm × 200 mm, thickness: 25 μm) was cut into a size of 100 mm × 100 mm, it was divided into four parts as shown in FIG. An adhesive made of polyolefin is applied to the side surface of the end portion of the protective sheet using a roll coating method, and then the divided protective sheet is pasted together as a protective sheet 152 shown in FIG. 4B to produce a protective sheet. did. A single cell for evaluation was assembled in the same manner as in Example 1 except that the protective sheet was used.
(比較例1)
保護シートを配置しなかった以外は実施例1と同様にして評価用単セルを組み立て、評価を行った。結果を図10に示す。
(Comparative Example 1)
An evaluation unit cell was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the protective sheet was not disposed. The results are shown in FIG.
本発明によれば耐久性に優れる燃料電池を提供することが可能となる。 According to the present invention, a fuel cell having excellent durability can be provided.
100…高分子電解質膜、110…ガス拡散電極、111…電極触媒層、112…ガス拡散層、120…セパレータ、121…ガス供給路、130…ガスケット、131…フレーム基材、140…空隙、150…保護シート、151…カット部、152…分割された保護シート、160…接着剤、170…枠、180…カッター。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Polymer electrolyte membrane, 110 ... Gas diffusion electrode, 111 ... Electrode catalyst layer, 112 ... Gas diffusion layer, 120 ... Separator, 121 ... Gas supply path, 130 ... Gasket, 131 ... Frame base material, 140 ... Air gap, 150 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Protection sheet, 151 ... Cut part, 152 ... Divided protection sheet, 160 ... Adhesive, 170 ... Frame, 180 ... Cutter.
Claims (6)
前記電解質膜および前記ガス拡散電極と接するように保護シートが配置された燃料電池。 In a fuel cell having a membrane electrode assembly in which a pair of gas diffusion electrodes including an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both sides of an electrolyte membrane,
A fuel cell in which a protective sheet is disposed in contact with the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode.
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009152122A (en) * | 2007-12-21 | 2009-07-09 | Sharp Corp | Microfluidic device, fuel cell and manufacturing method thereof |
| US8057954B2 (en) | 2008-09-23 | 2011-11-15 | Korea Institute Of Science & Technology | Membrane-electrode assembly including guard gasket |
| KR101098731B1 (en) | 2007-05-17 | 2011-12-23 | 주식회사 엘지화학 | Method of protecting membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell |
| US8861025B2 (en) | 2011-10-21 | 2014-10-14 | Konica Minolta, Inc. | Color adjustment method, color adjustment apparatus and computer readable medium storing color adjustment program |
| WO2015087477A1 (en) * | 2013-12-10 | 2015-06-18 | トヨタ自動車株式会社 | Power generator |
| US9954242B2 (en) | 2010-07-22 | 2018-04-24 | Kolon Industries, Inc. | Membrane-electrode assembly with a protective layer, and fuel cell stack and fabricating method of membrane-electrode assembly |
| CN113675412A (en) * | 2020-05-14 | 2021-11-19 | 丰田自动车株式会社 | fuel cell unit cell |
-
2005
- 2005-07-27 JP JP2005217758A patent/JP2007035459A/en active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101098731B1 (en) | 2007-05-17 | 2011-12-23 | 주식회사 엘지화학 | Method of protecting membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell |
| JP2009152122A (en) * | 2007-12-21 | 2009-07-09 | Sharp Corp | Microfluidic device, fuel cell and manufacturing method thereof |
| US8057954B2 (en) | 2008-09-23 | 2011-11-15 | Korea Institute Of Science & Technology | Membrane-electrode assembly including guard gasket |
| US9954242B2 (en) | 2010-07-22 | 2018-04-24 | Kolon Industries, Inc. | Membrane-electrode assembly with a protective layer, and fuel cell stack and fabricating method of membrane-electrode assembly |
| US8861025B2 (en) | 2011-10-21 | 2014-10-14 | Konica Minolta, Inc. | Color adjustment method, color adjustment apparatus and computer readable medium storing color adjustment program |
| WO2015087477A1 (en) * | 2013-12-10 | 2015-06-18 | トヨタ自動車株式会社 | Power generator |
| JP2015115131A (en) * | 2013-12-10 | 2015-06-22 | トヨタ自動車株式会社 | Power generation body |
| CN113675412A (en) * | 2020-05-14 | 2021-11-19 | 丰田自动车株式会社 | fuel cell unit cell |
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