JP2009289573A - Composite type electrolyte film, and fuel cell equipped with the same - Google Patents
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Abstract
【課題】膜厚を厚くすることなく、特に低加湿時において十分な保水性能を有し、さらには、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性に優れた複合型電解質膜とこれを具備する燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード側触媒層30およびカソード側触媒層20に当接する外側電解質樹脂層1B,1Aと、2つの該外側電解質樹脂層1A,1Bの間に介層された少なくとも2以上の多孔質の補強層2,3と、少なくとも1以上の内側電解質樹脂層1Cと、を有し、これらが互層構造を呈しており、アノード側の補強層3の割合に比してカソード側の補強層2の割合が小さくなっている複合型電解質膜10である。その一実施例としては、カソード側の補強層の層厚が相対的に薄くなっているものであり、他の実施例としては、カソード側の補強層の気孔率が相対的に大きくなっているものである。
【選択図】図1[PROBLEMS] To provide a composite electrolyte membrane having sufficient water retention performance, particularly at low humidification, without increasing the film thickness, and further excellent in reverse diffusibility of moisture from the cathode side to the anode side. A fuel cell is provided.
SOLUTION: An outer electrolyte resin layer 1B, 1A in contact with an anode side catalyst layer 30 and a cathode side catalyst layer 20, and at least two or more porous layers interposed between the two outer electrolyte resin layers 1A, 1B. These reinforcing layers 2 and 3 and at least one or more inner electrolyte resin layers 1C have an alternating layer structure, and the cathode-side reinforcing layer 2 as compared with the ratio of the anode-side reinforcing layer 3 This is the composite electrolyte membrane 10 in which the ratio of is small. As one example, the cathode-side reinforcing layer has a relatively thin layer thickness, and as another example, the cathode-side reinforcing layer has a relatively high porosity. Is.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、補強層と電解質樹脂層の互層構造の複合型電解質膜とこれを具備する燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a composite electrolyte membrane having an alternating layer structure of a reinforcing layer and an electrolyte resin layer, and a fuel cell including the same.
固体高分子型燃料電池のセルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側の触媒層およびカソード側の触媒層と、から膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を形成し、この外側にセパレータが配されて単セルを形成している。なお、各触媒層の外側にガス流れの促進と集電効率を高めるためのガス拡散層(GDL)が設けられて膜電極接合体(MEGA:MEAとGDLの接合体)を成し、このガス拡散層の外側にセパレータが配される形態もある。実際には、これらの単セルが発電性能に応じた段積だけ積層され、燃料電池スタックが形成されることになる。 A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) comprising an ion-permeable electrolyte membrane, an anode-side catalyst layer and a cathode-side catalyst layer sandwiching the electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly (MEA). A separator is arranged on the outer side to form a single cell. A gas diffusion layer (GDL) for promoting gas flow and enhancing current collection efficiency is provided outside each catalyst layer to form a membrane electrode assembly (MEGA: MEA and GDL assembly). There is also a form in which a separator is disposed outside the diffusion layer. In actuality, these single cells are stacked in stages corresponding to the power generation performance, thereby forming a fuel cell stack.
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。この電気化学反応では、アノード電極にて生成されたプロトン(水素イオン)と水が水和状態で電解質膜を透過してカソード電極に至り、カソード電極にて生成水が生成されることとなる。 In the fuel cell described above, hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to the anode electrode, oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode, and each electrode has a gas flow layer in its in-plane direction. Then, the gas diffused in the gas diffusion layer is led to the electrode catalyst to cause an electrochemical reaction. In this electrochemical reaction, protons (hydrogen ions) and water generated at the anode electrode pass through the electrolyte membrane in a hydrated state to reach the cathode electrode, and generated water is generated at the cathode electrode.
ところで、燃料電池の発電に必要なプロトンの移動は水を媒体としていることから、電解質膜の含水率が低下するとプロトン伝導性が低下し、結果として発電性能の低下に至ることとなる。特に、低加湿雰囲気下での発電においては、電解質膜の含水率が大きく低下してプロトン伝導性の低下がより顕著となることが分かっている。 By the way, since the movement of protons necessary for power generation of the fuel cell uses water as a medium, when the water content of the electrolyte membrane decreases, the proton conductivity decreases, resulting in a decrease in power generation performance. In particular, in power generation in a low humidified atmosphere, it has been found that the water content of the electrolyte membrane is greatly reduced and the proton conductivity is more significantly reduced.
したがって、上記する電解質膜に要求される特性として、含水性や保水性、水素イオンや水などの透過性は極めて重要である。この電解質膜の特性を制御する方策として、プロトン伝導性を有する電解質膜を構成する電解質樹脂のイオン交換容量や分子の一次構造、高次構造を検討し、改良することが一般に知られている。しかし、電解質樹脂のイオン交換容量や分子の一次構造、高次構造の改善が容易でないことは理解に易く、したがって、電解質膜の上記特性を向上させる、より簡易な方策の開発が当該分野での重要な課題の一つとなっている。 Therefore, as characteristics required for the electrolyte membrane described above, water content, water retention, and permeability such as hydrogen ions and water are extremely important. As a measure for controlling the characteristics of the electrolyte membrane, it is generally known to study and improve the ion exchange capacity, the primary structure and the higher order structure of the electrolyte resin constituting the electrolyte membrane having proton conductivity. However, it is easy to understand that it is not easy to improve the ion exchange capacity of the electrolyte resin, the primary structure of the molecule, and the higher order structure. Therefore, the development of simpler measures to improve the above characteristics of the electrolyte membrane is not possible in this field. One of the important issues.
また、電解質膜の薄膜化によって、たとえば湿潤状態となり易いカソード側から乾燥し易いアノード側への水(たとえば生成水)の逆拡散を促すことによっても、電解質膜の含水性、保水性の確保を図り、該電解質膜における電気抵抗の低下を図ることができる。しかし、電解質膜を薄膜化するにつれてその機械的強度が低下し、電解質膜の耐久性(ひいては燃料電池の耐久性)を低下させること、薄膜化した電解質膜と触媒層とを接合する際の作業性が悪くなって製造効率が低下すること、などの新たな課題が生じてしまう。 In addition, by reducing the thickness of the electrolyte membrane, for example, by promoting the reverse diffusion of water (for example, generated water) from the cathode side, which tends to be wet, to the anode side, which is easy to dry, the water content and water retention of the electrolyte membrane can be ensured. As a result, the electrical resistance of the electrolyte membrane can be reduced. However, the mechanical strength of the electrolyte membrane decreases as the electrolyte membrane becomes thinner, reducing the durability of the electrolyte membrane (and hence the durability of the fuel cell), and the work when joining the electrolyte membrane and catalyst layer that have been reduced in thickness. New problems arise, such as a decrease in production efficiency due to poor performance.
そこで、近時、電解質膜の薄膜化を図りながらその機械的強度の低下を抑止する技術として、電解質樹脂層と多孔質の補強層の互層構造を呈した複合型電解質膜が開発されており、その公開技術として特許文献1に開示の電解質膜を挙げることができる。
Therefore, recently, a composite electrolyte membrane that has an alternating layer structure of an electrolyte resin layer and a porous reinforcing layer has been developed as a technique for suppressing the decrease in mechanical strength while reducing the thickness of the electrolyte membrane. As the disclosed technique, an electrolyte membrane disclosed in
特許文献1に開示の電解質膜は、多孔質の補強層とこの両側に位置するカソード側電解質層、アノード側電解質層とからなり、含水量が多い電極側に存在する電解質層の体積を含水量の少ない電極側の電解質膜のそれよりも大きくすることで、各電解質層における含水量の均一化を図ろうとするものである。
The electrolyte membrane disclosed in
上記特許文献1に開示の電解質膜では、含水量の多少でアノード側、カソード側の電解質層の体積を変化させるというものであるが、発電過程で両極の含水量の多少は変化するのが一般的であり、したがって、当初設定された両極の電解質層の体積に対して、含水量の多少が変化する場合も生じ得る。また、特に低加湿時においては電解質膜内の含水率が低下し易く、移動できるプロトン量が低下することで発電性能が低下することとなるが、この3層構造(2層の電解質層と、これらに挟持された中央の補強層の互層構造)では、この低加湿時において十分な保水状態を維持することが難しく、含水率の低下を効果的に抑止するには至らないものと考えられる。
In the electrolyte membrane disclosed in
また、他の公開技術として特許文献2に開示の複合構造を呈した電解質膜を挙げることができる。この電解質膜は2以上の補強層を有するものであり、したがって、たとえば、2つの補強層に挟まれた中央に位置する電解質層にて水分を確保し、電解質膜の保水性(含水性)を担保することが可能となる。しかし、単に補強層の数を増やしただけでは上記する水の逆拡散を促進するには至らず、したがって、電解質膜における効果的な水マネジメントを図ることはできない。
Another disclosed technique is an electrolyte membrane having a composite structure disclosed in
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、電解質樹脂層と多孔質の補強層の互層構造を呈した複合型電解質膜に関し、その構成部材の層構成や層特性に改良を加えることにより、膜厚を厚くすることなく、特に低加湿時において十分な保水性能を有し、さらには、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性に優れた複合型電解質膜とこれを具備する燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and relates to a composite electrolyte membrane having an alternate structure of an electrolyte resin layer and a porous reinforcing layer, and improves the layer configuration and layer characteristics of the constituent members. Therefore, the composite electrolyte membrane has sufficient water retention performance, particularly at low humidification, without increasing the film thickness, and also has excellent reverse diffusibility of moisture from the cathode side to the anode side. An object of the present invention is to provide a fuel cell.
前記目的を達成すべく、本発明による複合型電解質膜は、アノード側触媒層およびカソード側触媒層に当接する外側電解質樹脂層と、2つの該外側電解質樹脂層の間に介層された少なくとも2以上の多孔質の補強層と、少なくとも1以上の内側電解質樹脂層と、を有し、外側電解質樹脂層と補強層と内側電解質樹脂層の互層構造を呈しており、アノード側の補強層の割合に比してカソード側の補強層の割合が小さくなっているものである。 In order to achieve the above object, a composite electrolyte membrane according to the present invention includes an outer electrolyte resin layer in contact with the anode side catalyst layer and the cathode side catalyst layer, and at least two layers interposed between the two outer electrolyte resin layers. Proportion of the anode side reinforcing layer having the porous reinforcing layer described above and at least one inner electrolyte resin layer, and having an alternate structure of the outer electrolyte resin layer, the reinforcing layer, and the inner electrolyte resin layer. The proportion of the reinforcing layer on the cathode side is smaller than that in FIG.
本発明の電解質膜は、アノード側、カソード側双方の触媒層に隣接する外側電解質樹脂層と、その間に位置する2以上の多孔質の補強層および1以上の内側電解質樹脂層の計5層以上の互層構造からなる複合型の電解質膜に関するものであり、さらに、アノード側の補強層の割合に比してカソード側の補強層の割合が小さくなっているものである。この互層構造に関して例示すれば、たとえば、アノード側の外側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、カソード側の外側電解質樹脂層の5層互層構造や、アノード側の外側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、カソード側の外側電解質樹脂層の7層互層構造などを挙げることができる。 The electrolyte membrane of the present invention comprises a total of 5 or more layers, including an outer electrolyte resin layer adjacent to both the anode and cathode catalyst layers, two or more porous reinforcing layers and one or more inner electrolyte resin layers positioned therebetween. And a ratio of the cathode-side reinforcing layer is smaller than that of the anode-side reinforcing layer. Examples of this alternate layer structure include, for example, a five-layer alternate structure of an outer electrolyte resin layer on the anode side, a reinforcing layer, an inner electrolyte resin layer, a reinforcing layer, and an outer electrolyte resin layer on the cathode side, and an outer electrolyte resin layer on the anode side. And a seven-layered structure of a reinforcing layer, an inner electrolyte resin layer, a reinforcing layer, an inner electrolyte resin layer, a reinforcing layer, and an outer electrolyte resin layer on the cathode side.
本発明の電解質膜では、従来の複合型電解質膜(一般には、中央に位置する一層の補強層とこれを挟持するアノード側、カソード側の電解質樹脂層からなる3層構造)の補強層と同程度の厚みの補強層を2以上に分割して、したがって、一層当たりの厚みが薄い複数の補強層を使用して、より多層の互層構造としたものである。このような多層構造とすることにより、少なくとも中央に位置する内側電解質樹脂層が2層の補強層にて挟持されることになり、この内側電解質樹脂層にて良好な保水性を確保でき、低加湿時においてもプロトン伝導に必要な含水性(保水性)を備えた電解質膜とすることができる。 The electrolyte membrane of the present invention is the same as the reinforcing layer of a conventional composite electrolyte membrane (generally, a three-layer structure comprising one reinforcing layer located in the center and an anode-side and cathode-side electrolyte resin layer sandwiching it). The reinforcing layer having a certain thickness is divided into two or more, and therefore, a plurality of reinforcing layers having a small thickness per layer are used to form a multi-layered alternating structure. By adopting such a multilayer structure, at least the inner electrolyte resin layer located in the center is sandwiched between two reinforcing layers, and this inner electrolyte resin layer can ensure good water retention and low An electrolyte membrane having water content (water retention) necessary for proton conduction even during humidification can be obtained.
ここで、多孔質の補強層の素材は特に限定されるものではないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトンなどを挙げることができる。また、電解質樹脂層はプロトン伝導性を有する素材であれば特に限定されるものではないが、たとえば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂や、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のイオン伝導性基を側鎖に有するポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリエチレン、ポリシクロオレフィン等の炭化水素系樹脂などを挙げることができる。 Here, the material of the porous reinforcing layer is not particularly limited, and examples thereof include polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyimide, polyamide, and polyetheretherketone. The electrolyte resin layer is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity. For example, perfluorocarbon sulfonic acid resins represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont), sulfonic acid groups, Examples thereof include hydrocarbon resins such as polyethersulfone, polyetheretherketone, polyimide, polyphenylene, polyethylene, and polycycloolefin having an ion conductive group such as carboxylic acid group and boronic acid group in the side chain.
また、この補強層と電解質樹脂層の接着方法(複合化方法)としては、溶融含浸法などを適用することができる。この溶融含浸法は、溶液によるキャスト製膜法よりも膜厚制御が容易であり、溶媒蒸発に伴う表面亀裂が生じ得ないことから良好な品質の電解質膜を製造することができる。さらに、電解質分子の高分子量化と分子の絡み合いを促進でき、高耐久な電解質膜を製造することができるものである。 In addition, a melt impregnation method or the like can be applied as a bonding method (compositing method) between the reinforcing layer and the electrolyte resin layer. This melt impregnation method is easier to control the film thickness than the cast film-forming method using a solution, and surface cracks due to solvent evaporation cannot occur, so that an electrolyte membrane of good quality can be produced. Furthermore, high molecular weight of the electrolyte molecules and entanglement of the molecules can be promoted, and a highly durable electrolyte membrane can be manufactured.
本発明の複合型電解質膜では、上記する互層構造を前提として、さらに、カソード側の補強層の割合をアノード側のそれに比して小さくするものである。 In the composite electrolyte membrane of the present invention, on the premise of the above-described alternate layer structure, the ratio of the reinforcing layer on the cathode side is further reduced as compared with that on the anode side.
補強層は、プロトン伝導性能、即ち発電性能に寄与するものではなく、あくまでも電解質膜を補強する作用を有するものであることから、補強層の割合が小さいということは、電解質樹脂層の割合が大きいことを意味するものである。電解質樹脂層の割合が大きいということは、単位重量当たりのイオン交換容量が大きいこと(スルホン酸基が多いこと)を意味しており、イオン交換基当量重量(EW値:Equivalent Weight)が小さいことをも意味している。 The reinforcing layer does not contribute to proton conduction performance, that is, power generation performance, and has a function of reinforcing the electrolyte membrane to the last, so that the proportion of the reinforcing layer is small, the proportion of the electrolyte resin layer is large. It means that. A large proportion of the electrolyte resin layer means that the ion exchange capacity per unit weight is large (the number of sulfonic acid groups is large), and the ion exchange group equivalent weight (EW value: Equivalent Weight) is small. Also means.
カソード側の補強層の割合が相対的に小さくなることで、したがって、カソード側のイオン交換容量が相対的に大きくなることで、カソード側とアノード側とで保水性もしくは含水性に傾斜をもたせることができ(電解質膜の膜厚方向に水濃度分布が形成される)、カソード側からアノード側への水分の逆拡散が促進されることになる。 The proportion of the cathode side reinforcing layer is relatively small, and therefore the ion exchange capacity on the cathode side is relatively large, so that the water retention or water content can be inclined between the cathode side and the anode side. (A water concentration distribution is formed in the thickness direction of the electrolyte membrane), and the reverse diffusion of moisture from the cathode side to the anode side is promoted.
本発明の複合型電解質膜では、たとえば、アノード側の外側電解質樹脂層、補強層、内側電解質樹脂層、補強層、カソード側の外側電解質樹脂層という互層構造を採用することで電解質膜の保水性能を確保し、これに加えて、カソード側の補強層の割合を小さくすることで水の逆拡散性能を高めて電解質膜自体の水マネジメント性を向上させたものである。 In the composite electrolyte membrane of the present invention, for example, the water retention performance of the electrolyte membrane is adopted by adopting an alternate layer structure of an outer electrolyte resin layer on the anode side, a reinforcing layer, an inner electrolyte resin layer, a reinforcing layer, and an outer electrolyte resin layer on the cathode side. In addition to this, by reducing the proportion of the cathode-side reinforcing layer, the water reverse diffusion performance is improved, and the water management performance of the electrolyte membrane itself is improved.
ここで、上記する「カソード側の補強層の割合を小さくする」構成に関し、大きく2つの実施の形態がある。 Here, regarding the above-described configuration of “decreasing the ratio of the cathode-side reinforcing layer”, there are mainly two embodiments.
一つの実施の形態は、アノード側の補強層に比してカソード側の補強層の層厚を薄くすることである。 One embodiment is to reduce the thickness of the cathode-side reinforcing layer compared to the anode-side reinforcing layer.
カソード側の補強層の層厚を相対的に薄くすることはカソード側の電解質樹脂層の層厚を相対的に厚くすることに繋がり、結果として、カソード側のイオン交換容量を大きくすることになる。 Reducing the thickness of the cathode-side reinforcing layer leads to relatively increasing the thickness of the cathode-side electrolyte resin layer, and as a result, increases the cathode-side ion exchange capacity. .
他の実施の形態は、アノード側の補強層に比してカソード側の補強層の気孔率を大きくすることである。 Another embodiment is to increase the porosity of the cathode side reinforcing layer compared to the anode side reinforcing layer.
なお、カソード側の補強層の層厚を相対的に薄くするとともに、カソード側の補強層の気孔率を相対的に大きくしてもよいことは勿論のことであり、水分の逆拡散性をより一層高めることに繋がる。 Of course, the cathode-side reinforcing layer may be made relatively thin, and the cathode-side reinforcing layer may have a relatively high porosity, which can further increase the moisture back-diffusion. It leads to further enhancement.
上記する補強層の層厚をアノード側、カソード側で変化させることに関し、本発明者等の検証によれば、補強層全体の層厚に対するカソード側の補強層の層厚の比率を0.3以下とすることにより、アノード側とカソード側双方の補強層の層厚が同程度の場合に比して、燃料電池の発電性能を10%程度向上できるという知見が得られている。 Regarding the change of the layer thickness of the reinforcing layer on the anode side and the cathode side, according to the verification by the present inventors, the ratio of the layer thickness of the cathode side reinforcing layer to the layer thickness of the entire reinforcing layer is 0.3. By making the following, it has been found that the power generation performance of the fuel cell can be improved by about 10% as compared with the case where the thicknesses of the reinforcing layers on both the anode side and the cathode side are about the same.
また、補強層の気孔率をアノード側、カソード側で変化させることに関し、本発明者等の検証によれば、アノード側の補強層の気孔率に対するカソード側の補強層の気孔率の比率を1.06〜1.11の範囲とすることにより、アノード側とカソード側双方の補強層の気孔率が同程度の場合に比して、燃料電池の発電性能を2〜5%程度向上できるという知見が得られている。 Further, regarding the change of the porosity of the reinforcing layer on the anode side and the cathode side, according to the verification by the present inventors, the ratio of the porosity of the cathode-side reinforcing layer to the porosity of the anode-side reinforcing layer is 1 Knowledge that the power generation performance of the fuel cell can be improved by about 2 to 5% by setting the range of .06 to 1.11 as compared with the case where the porosity of the reinforcing layer on both the anode side and the cathode side is about the same. Is obtained.
上記する本発明の複合型電解質膜によれば、従来の複合型電解質膜に比してその補強層の厚みを厚くすることなく、電解質膜の保水性能を向上させることができ、特に低加湿時における発電性能の低下を効果的に抑止することが可能となる。さらに、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性能を向上させることができ、電解質膜自体の水マネジメント性が向上し、精緻なガスの加湿制御をおこなうことなく、カソード側で生じ易いフラッティングやアノード側で生じ易いドライアップの問題を電解質膜の構造によって効果的に解消することが可能となる。 According to the composite electrolyte membrane of the present invention described above, the water retention performance of the electrolyte membrane can be improved without increasing the thickness of the reinforcing layer as compared with the conventional composite electrolyte membrane, particularly at low humidification. It is possible to effectively suppress the decrease in power generation performance. In addition, the back diffusion performance of moisture from the cathode side to the anode side can be improved, the water management of the electrolyte membrane itself is improved, and flattening that tends to occur on the cathode side without performing precise gas humidification control The problem of dry-up that tends to occur on the anode side can be effectively solved by the structure of the electrolyte membrane.
上記する本発明の複合型電解質膜を有する燃料電池は、家庭用の定置型燃料電池や車載用燃料電池など、その適用分野は他方面に亘るが、特に、近時その生産が拡大しており、車載機器に一層の高性能化を要求する電気自動車やハイブリッド車に好適である。 The above-described fuel cell having the composite electrolyte membrane of the present invention is applied to the other side, such as a stationary fuel cell for home use and a fuel cell for vehicle use, but its production has recently been expanded. It is suitable for electric vehicles and hybrid vehicles that require higher performance for in-vehicle devices.
以上の説明から理解できるように、本発明の複合型電解質膜によれば、特に低加湿時における保水性能の向上と、水分の逆拡散性能の向上の双方を図ることができる。 As can be understood from the above description, according to the composite electrolyte membrane of the present invention, it is possible to improve both the water retention performance particularly at the time of low humidification and the moisture reverse diffusion performance.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示する複合型電解質膜は、電解質樹脂層と補強層の5層互層構造を呈したものであるが、7層互層構造、9層互層構造など、より多層な互層構造のものであってもよいことは勿論のことである。なお、原則的には補強層全体の層厚を変更しない趣旨から、多層の互層構造になるに従って一つの補強層の層厚が薄くなっていくものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The composite electrolyte membrane shown in the figure has a five-layered alternating structure of an electrolyte resin layer and a reinforcing layer, but has a multilayered structure such as a seven-layered alternating layer structure and a nine-layered alternating layer structure. Of course, it is also good. Note that, in principle, the thickness of one reinforcing layer is reduced as the thickness of the reinforcing layer increases, so that the thickness of the entire reinforcing layer is not changed.
図1は、本発明の複合型電解質膜の一実施の形態を具備する膜電極接合体を示した縦断面図である。この複合型電解質膜10は、アノード側触媒層30とカソード側触媒層20に挟持されるものであり、カソード側触媒層20、アノード側触媒層30にそれぞれ当接する外側電解質樹脂層1A,1Bと、その内部に位置する多孔質のカソード側の補強層2,アノード側の補強層3と、これらの補強層2,3に挟持される内側電解質樹脂層1Cの5層構造となっており、複合型電解質膜10とカソード側触媒層20、アノード側触媒層30からMEA40(膜電極接合体)が形成される。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a membrane electrode assembly including an embodiment of a composite electrolyte membrane of the present invention. The
ここで、上記する補強層2,3は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトンなどから形成される。また、上記する電解質樹脂層1A,1B,1Cは、ナフィオン(商品名、デュポン社製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂や、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のイオン伝導性基を側鎖に有するポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリエチレン、ポリシクロオレフィンなどから形成される。また、カソード側、アノード側の触媒層20,30は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材から形成される。
Here, the above-described reinforcing
この補強層2,3と電解質樹脂層1A,1B,1Cは、相互に貼り合わせて溶融熱プレスする、溶融含浸法にて接合することができる。
The reinforcing
図1で示す複合型電解質膜10では、電解質樹脂層1A,1B,1Cの層厚が等しく、カソード側の補強層2とアノード側の補強層3の層厚も等しくなっている一方で、カソード側の補強層2の気孔率がアノード側の補強層3に比して相対的に大きくなっている。
In the
カソード側の補強層2の気孔率が大きくなることは、カソード側で補強層の割合が小さくなること、言い換えればカソード側のイオン交換容量が相対的に大きくなることを意味しており、カソード側とアノード側とで含水性に傾斜をもたせることができ、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性の促進に繋がるものである。
Increasing the porosity of the cathode-
一方、図2は膜電極接合体の他の実施の形態を具備する膜電極接合体40Aを示した縦断面図である。この複合型電解質膜10Aも複合型電解質膜10と同様に5層互層構造を呈するものであるが、外側電解質樹脂層1A’,1B’の層厚が内側電解質樹脂層1C’よりも薄くなっており、さらに、カソード側の補強層2Aの層厚がアノード側の補強層3Aよりも薄くなっている。
On the other hand, FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a
2つの補強層2A,3Aに挟持された内側電解質樹脂層1C’の層厚を他の電解質樹脂層1A’,1B’よりも厚くすることにより、厚層の内側電解質樹脂層1C’によって保水される含水量が多くなることから、特に低加湿時における良好なプロトン伝導性を担保することができる。なお、外側電解質樹脂層1A’,1B’と内側電解質樹脂層1C’の層厚の合計は、図1で示す複合型電解質膜10における電解質樹脂層の層厚の合計と同程度である。
By making the inner
また、カソード側の補強層2Aの層厚がアノード側の補強層3Aに比して相対的に薄くなっていることにより、上記気孔率を変化させた場合と同様に、カソード側の補強層の割合を小さくすることができ、カソード側からアノード側への水分の逆拡散性が促進される。
Further, since the thickness of the cathode-
なお、層厚を変化させるだけでなく、さらに、カソード側の補強層2Aの気孔率をアノード側の補強層3Aのそれよりも大きくしてもよく、この場合には、カソード側とアノード側の間の水濃度勾配に一層大きな傾斜をもたせることができ、水分の逆拡散性が一層促進される。
In addition to changing the layer thickness, the porosity of the cathode-
図3は、図1で示すMEA40を具備する燃料電池セル(単セル)の一実施の形態を示した縦断図であり、セパレータからガス流路層が分離された、いわゆるフラットタイプモジュールセルを示したものである。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a fuel cell (single cell) including the
この燃料電池セル100は、MEA40と、これを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層50,50と、からMEGA60(膜電極接合体)が形成され、この膜電極接合体60をカソード側、アノード側のガス流路層70,70が挟持し、さらにガス流路層70,70をセパレータ80,80が挟持して構成されるものである。
In this
ここで、ガス拡散層50は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の素材から形成され、ガス流路層70は、多孔質のエキスパンドメタルから形成される。
Here, the
3層構造のセパレータ80は、隣接する単セルとの間でセル間を画成する面材83と、これに対向するMEGA側の面材81と、これら面材81,83間に介層され、面材81,83の外周輪郭に沿う枠状(無端状)に形成された樹脂素材のスペーサ82と、から構成されている。この面材81,83は、ガス不透過性の緻密なカーボン材や緻密黒鉛材などから形成される。面材81における面材83に対向する側面には、不図示の多数の突起(ディンプル)が備えてあり、この突起がスペーサ82の厚み分の高さを有していることにより、3層構造となった際に、突起の先端が面材83の側面と当接され、乱流状に突起間を流れる冷却水の流路が形成される。
The
カソード側では、酸化剤ガスをガス流路層70を介してカソード側の触媒層20に提供するために、セパレータ80と、ガス流路層70を囲繞するフレーム材71とを貫通する供給マニホールドM1が開設されており、同時に、ガス流路層20を流れたガスや生成水を排出するための排出マニホールドM2が形成されている。なお、アノード側においても、同様に燃料ガスをガス流路層70を介してアノード側の触媒層30に提供するための供給マニホールドM1と排出マニホールドM2が形成されている。
On the cathode side, in order to provide the oxidant gas to the cathode-
さらに、カソード側の触媒層20とアノード側の触媒層30の双方に提供されるガスのシール性を担保するためのゴム製のガスケット90が、射出成形にてMEGA60の周縁に一体成形されている。
Further, a
実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて図示する燃料電池セル100が所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。
In an actual fuel cell, a fuel cell stack is formed by stacking predetermined
電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。 A fuel cell system mounted on an electric vehicle or the like includes this fuel cell, various tanks for storing hydrogen gas and air, a blower for supplying these gases to the fuel cell, a radiator for cooling the fuel cell, a fuel The battery is generally composed of a battery that stores electric power generated by the battery, a drive motor that is driven by the electric power, and the like.
[本発明の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル(実施例1,2)と従来の複合型電解質膜を具備する燃料電池セル(比較例)の低加湿雰囲気におけるセル電圧を比較した実験とその結果]
本発明者等は、従来構造の複合型電解質膜を有する燃料電池と図1,2で示す本発明の複合型電解質膜を有する燃料電池を試作し、それらの低加湿雰囲気におけるセル電圧を実測し、比較する実験をおこなった。図4は、実施例、比較例の各モデルを模式的に示したものであり、図4aは比較例モデルを、図4bは実施例1のモデルを、図4cは実施例2のモデルをそれぞれ示している。
[Experiment comparing the cell voltage in a low humidified atmosphere of a fuel cell (Examples 1 and 2) comprising a composite electrolyte membrane of the present invention and a fuel cell (Comparative Example) comprising a conventional composite electrolyte membrane as a result]
The inventors have made a prototype of a fuel cell having a composite electrolyte membrane having a conventional structure and a fuel cell having the composite electrolyte membrane of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, and actually measured the cell voltage in a low humidified atmosphere. The experiment which compares is done. 4 schematically shows the models of the example and the comparative example, FIG. 4a shows the model of the comparative example, FIG. 4b shows the model of the example 1, and FIG. 4c shows the model of the example 2. Show.
図4aで示す比較例モデルM1は、層厚:L1の補強層モデルMhを層厚がともにL2の電解質樹脂層モデルMd,Mdが挟持した3層構造の複合型電解質膜モデルであり、これをカソード側触媒層モデルMk,アノード側触媒層モデルMaが挟持してMEAを形成している。また、図4bで示す実施例1モデルM2は、層厚が2/3L2の内側電解質樹脂層モデルMd1を層厚がともに1/2L1の補強層モデルMh1,Mh2が挟持し、これを層厚がともに2/3L2のカソード側、アノード側の外側電解質樹脂層モデルMd2,Md3が挟持した5層構造の複合型電解質膜モデルであり、これをカソード側触媒層モデルMk,アノード側触媒層モデルMaが挟持してMEAを形成している。さらに、図4cで示す実施例2モデルM3は、層厚が4/3L2の内側電解質樹脂層モデルMd1’を層厚が1/3L1のカソード側の補強層モデルMh1’と層厚が2/3L1のアノード側の補強層モデルMh2’が挟持し、これを層厚がともに1/3L2のカソード側、アノード側の外側電解質樹脂層モデルMd2’,Md3’が挟持した5層構造の複合型電解質膜モデルであり、これをカソード側触媒層モデルMk,アノード側触媒層モデルMaが挟持してMEAを形成している。 A comparative example model M1 shown in FIG. 4a is a composite electrolyte membrane model having a three-layer structure in which a reinforcing layer model Mh having a layer thickness: L1 is sandwiched between electrolyte resin layer models Md and Md having both layer thicknesses L2. The cathode side catalyst layer model Mk and the anode side catalyst layer model Ma sandwich the MEA. Further, in Example 1 model M2 shown in FIG. 4b, the inner electrolyte resin layer model Md1 having a layer thickness of 2 / 3L2 is sandwiched between the reinforcing layer models Mh1 and Mh2 having both layer thicknesses of 1 / 2L1, and this has the layer thickness. Both are 2 / 3L2 cathode-side and anode-side outer electrolyte resin layer models Md2 and Md3 sandwiched by a composite electrolyte membrane model having a five-layer structure. This is a cathode-side catalyst layer model Mk and anode-side catalyst layer model Ma. The MEA is formed by clamping. Further, in Example 2 model M3 shown in FIG. 4c, the inner electrolyte resin layer model Md1 ′ having a layer thickness of 4 / 3L2 is compared with the reinforcing layer model Mh1 ′ on the cathode side having a layer thickness of 1 / 3L1, and the layer thickness is 2 / 3L1. The anode-side reinforcing layer model Mh2 ′ is sandwiched between the cathode-side and anode-side outer electrolyte resin layer models Md2 ′ and Md3 ′ each having a layer thickness of 1/3 L2, and is a composite electrolyte membrane having a five-layer structure. This is a model, and this is sandwiched between the cathode side catalyst layer model Mk and the anode side catalyst layer model Ma to form the MEA.
比較例モデルにおいては、PTFE(フッ素樹脂)の多孔質膜の製膜法として一般的な延伸法にて補強層を製造し、電解質樹脂前駆体(末端基が−SO2F)を補強層モデルの両側に貼り合わせ、溶融熱プレスすることによって複合化させた。これを水酸化ナトリウムとジメチルスルホキシド(DMSO)の混合溶液で加水分解し、次いで硫酸水溶液で酸処理を施して分子側鎖末端を−SO3Hとした後に乾燥させ、その両側にカソード側触媒層、アノード側触媒層を熱圧着させることで比較例モデルM1を製造した。 In the comparative example model, a reinforcing layer is manufactured by a general stretching method as a method for forming a porous film of PTFE (fluororesin), and an electrolyte resin precursor (terminal group is —SO 2 F) is used as a reinforcing layer model. It was made to make composite by sticking to both sides and melt-heat-pressing. This was hydrolyzed with a mixed solution of sodium hydroxide and dimethyl sulfoxide (DMSO), then acid-treated with an aqueous sulfuric acid solution to make the molecular side chain terminal -SO 3 H, and then dried. The comparative model M1 was manufactured by thermocompression bonding of the anode side catalyst layer.
実施例1モデルにおいては、基本的な製造方法は比較例モデルと同様であるが、延伸法によって気孔率の異なる補強層モデルMh1,Mh2としている。 In the model of Example 1, the basic manufacturing method is the same as that of the comparative example model, but the reinforcing layer models Mh1 and Mh2 having different porosities by the stretching method are used.
実施例2モデルにおいては、上記するように、カソード側の補強層モデルMh1’の層厚をアノード側の補強層モデルMh2’の層厚の半分とし、電解質樹脂層も内側と外側で層厚を変化させている。 In the model of Example 2, as described above, the layer thickness of the cathode-side reinforcing layer model Mh1 ′ is half the layer thickness of the anode-side reinforcing layer model Mh2 ′, and the electrolyte resin layer also has a layer thickness on the inside and outside. It is changing.
なお、比較例モデル、実施例1モデル、実施例2モデルともに、補強層の全層厚は等しく、電解質樹脂層の全層厚も等しくなっている。 In all of the comparative example model, the example 1 model, and the example 2 model, the total thickness of the reinforcing layer is the same, and the total thickness of the electrolyte resin layer is also the same.
上記各モデルを使用してそれぞれに燃料電池を製作し、相対湿度が40%Rhの低加湿雰囲気でのセル電圧を電流を変化させながら計測した。その計測結果を図5に示している。なお、同図において、比較例モデルのMEAを具備する燃料電池の結果を点線のY線で、実施例1モデルのMEAを具備する燃料電池の結果を実線のX1線で、実施例2モデルのMEAを具備する燃料電池の結果を一点鎖線のX2線でそれぞれ示している。 A fuel cell was manufactured for each of the above models, and the cell voltage in a low humid atmosphere having a relative humidity of 40% Rh was measured while changing the current. The measurement result is shown in FIG. In the figure, the result of the fuel cell having the MEA of the comparative example model is indicated by a dotted Y line, the result of the fuel cell having the MEA of the Example 1 model is indicated by a solid X1 line, and the result of the Example 2 model is shown. The results of the fuel cell equipped with the MEA are indicated by the alternate long and short dash line X2.
図5より、電流値が大きくなるにつれて、比較例に対する実施例1,2のセル電圧の割合は高くなっており、このことは、比較例の3層構造から実施例1,2の5層構造とすることで電解質膜の保水性が高められ、プロトン伝導性が良好となっていることによるものである。 As shown in FIG. 5, as the current value increases, the ratio of the cell voltages of Examples 1 and 2 to the comparative example increases. This indicates that the five-layer structure of Examples 1 and 2 is changed from the three-layer structure of Comparative Example. This is because the water retention of the electrolyte membrane is enhanced and the proton conductivity is good.
また、実施例1,2では、ともにカソード側の補強層の割合が小さくなっていることから、カソード側からアノード側に向って電解質膜の膜厚方向に水濃度分布が形成され、アノード側への水移動のドライビングフォースが増大し、発電によってカソード側にて生成された生成水のアノード側への逆拡散が促進される結果、発電性能が向上していると特定される。 In Examples 1 and 2, since the ratio of the reinforcing layer on the cathode side is small, a water concentration distribution is formed in the film thickness direction of the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side. As a result of the increase in the driving force of the water movement of the water and the back diffusion of the generated water generated on the cathode side by power generation to the anode side is promoted, it is specified that the power generation performance is improved.
[アノード側の補強層の気孔率に対するカソード側の補強層の気孔率の比率を変化させた際の発電性能比に関する実験とその結果]
また、本発明者等は、図4bで示す実施例1モデルにおいてアノード側補強層とカソード側補強層の気孔率の比率を変化させ、各モデルごとのセル電圧を計測した。その中で、双方の補強層の気孔率の比率が1(双方ともに同じ気孔率)の場合のセル電圧を基準とし、他の比率の場合のセル電圧をこの基準値に対する比で正規化したグラフを図6に示している。
[Experiments and results on the ratio of power generation performance when the ratio of the porosity of the cathode-side reinforcing layer to the porosity of the anode-side reinforcing layer is changed]
In addition, the inventors measured the cell voltage for each model by changing the ratio of the porosity of the anode side reinforcing layer and the cathode side reinforcing layer in the model of Example 1 shown in FIG. 4b. Among them, a graph in which the ratio of the porosity of both reinforcing layers is 1 (both are the same porosity), and the cell voltage in other ratios is normalized by the ratio to this reference value. Is shown in FIG.
図6において、横軸のPkはカソード側補強層の気孔率を示しており、Paはアノード側補強層の気孔率を示している。 In FIG. 6, Pk on the horizontal axis indicates the porosity of the cathode side reinforcing layer, and Pa indicates the porosity of the anode side reinforcing layer.
同図より、気孔率の比率が1.06で発電性能比は2%、気孔率の比率が1.11で発電性能比は5%上昇する結果となり、このことは、カソード側の気孔率を相対的に大きくすることで生成水のアノード側への逆拡散が促進され、発電性能が向上することによるものである。 From the figure, the porosity ratio is 1.06 and the power generation performance ratio is 2%, and the porosity ratio is 1.11 and the power generation performance ratio is 5% higher. This indicates that the porosity on the cathode side is increased. By making it relatively large, the reverse diffusion of the generated water to the anode side is promoted, and the power generation performance is improved.
[補強層全体に対するカソード側の補強層の比率を変化させた際の発電性能比に関する実験とその結果]
さらに、本発明者等は、図4cで示す実施例2モデルにおいて補強層全体に対するカソード側の補強層の比率を変化させ、各モデルごとのセル電圧を計測した。その中で、カソード側補強層の層厚が全補強層となる場合のセル電圧を基準とし、他の比率の場合のセル電圧をこの基準値に対する比で正規化したグラフを図7に示している。
[Experiments and results on the ratio of power generation performance when the ratio of the cathode reinforcement layer to the entire reinforcement layer is changed]
Further, the inventors measured the cell voltage for each model by changing the ratio of the reinforcing layer on the cathode side to the entire reinforcing layer in the model of Example 2 shown in FIG. 4c. Among them, a graph in which the cell voltage when the thickness of the cathode side reinforcing layer is the total reinforcing layer is used as a reference and the cell voltage at other ratios is normalized by the ratio to the reference value is shown in FIG. Yes.
図7において、横軸のd2はカソード側補強層の層厚を示しており、dは補強層全体の層厚を示している。 In FIG. 7, d2 on the horizontal axis indicates the layer thickness of the cathode side reinforcing layer, and d indicates the layer thickness of the entire reinforcing layer.
同図より、カソード側補強層の層厚が全体の0.6(半分以上)〜0.3(30%の厚み)の範囲で発電性能が大きく向上し、特に0.3以下では、発電性能比はおよそ10%程度上昇する結果となった。この実験結果は、図6で示す実験結果と同様、カソード側の気孔率を相対的に大きくすることで生成水のアノード側への逆拡散が促進され、発電性能が向上することによるものである。 From the figure, the power generation performance is greatly improved when the thickness of the cathode-side reinforcing layer is in the range of 0.6 (half or more) to 0.3 (30% thickness) of the whole, especially when the thickness is 0.3 or less. The ratio increased by about 10%. Similar to the experimental result shown in FIG. 6, this experimental result is due to the fact that the reverse diffusion of the produced water to the anode side is promoted by relatively increasing the porosity on the cathode side, and the power generation performance is improved. .
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
1A,1A’…外側電解質樹脂層、1B,1B’…外側電解質樹脂層、1C,1C’…内側電解質樹脂層、2,2A…カソード側の補強層、3,3A…アノード側の補強層、10,10A…複合型電解質膜、20…カソード側触媒層、30…アノード側触媒層、40,40A…MEA(膜電極接合体)、50…ガス拡散層(GDL)、60…MEGA(膜電極接合体)、70…ガス流路層、80…セパレータ、81,83…面材、82…スペーサ、90…ガスケット、100…燃料電池セル
1A, 1A '... outer electrolyte resin layer, 1B, 1B' ... outer electrolyte resin layer, 1C, 1C '... inner electrolyte resin layer, 2, 2A ... cathode side reinforcing layer, 3, 3A ... anode side reinforcing layer, DESCRIPTION OF
Claims (6)
アノード側触媒層およびカソード側触媒層に当接する外側電解質樹脂層と、2つの該外側電解質樹脂層の間に介層された少なくとも2以上の多孔質の補強層と、少なくとも1以上の内側電解質樹脂層と、を有し、外側電解質樹脂層と補強層と内側電解質樹脂層の互層構造を呈しており、
アノード側の補強層の割合に比してカソード側の補強層の割合が小さくなっている、複合型電解質膜。 A composite electrolyte membrane forming a fuel cell,
An outer electrolyte resin layer in contact with the anode side catalyst layer and the cathode side catalyst layer, at least two porous reinforcing layers interposed between the two outer electrolyte resin layers, and at least one inner electrolyte resin And has an alternating layer structure of an outer electrolyte resin layer, a reinforcing layer, and an inner electrolyte resin layer,
A composite electrolyte membrane in which the proportion of the cathode-side reinforcing layer is smaller than the proportion of the anode-side reinforcing layer.
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