JP4918249B2 - Solid polymer electrolyte membrane electrode assembly - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜電極接合体並びにその製造方法及びこの接合体を利用する固体高分子電解質形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly, a method for producing the same, and a solid polymer electrolyte fuel cell using the assembly.
従来の固体高分子電解質形燃料電池の要部の概略構造を図6に示す。 FIG. 6 shows a schematic structure of a main part of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell.
図6に示すように、プロトン(H+)伝導性を有する固体高分子電解質膜111の一方面側には、Pt−Ru系等の触媒金属を含有して導電性及びガス透過性を有する燃料極膜112が配設されている。固体高分子電解質膜111の他方面側には、Pt系等の触媒金属を含有して導電性及びガス透過性を有する酸化極膜113が配設されている。
As shown in FIG. 6, on one side of the solid
上記固体高分子電解質膜111,燃料極膜112,酸化極膜113等からなる固体高分子電解質膜電極接合体(セル)の一方面側の電極膜である燃料極膜112側及び他方面側の電極膜である酸化極膜113側には、導電性及びガス拡散性を有するガス拡散層114がそれぞれ配設されている。上記ガス拡散層114を配設された上記セルの一方面側及び他方面側には、水素ガス等の燃料ガス流通路115aを一方面に形成されて、空気や酸素等の酸化ガス流通路115bを他方面に形成されると共に導電性を有するセパレータ115がそれぞれ配設されている。
The
そして、このようにセル(111−113)をガス拡散層114及びセパレータ115で挟むようにしながらこれら部材111−115を複数積層することにより、固体高分子電解質形燃料電池110のスタックが構成される。
A stack of solid polymer
このような固体高分子電解質形燃料電池110においては、上記セパレータ115の燃料ガス流通路115aへ燃料ガスを供給すると共に、上記セパレータ115の酸化ガス流通路115bへ酸化ガスを供給すると、燃料ガスが前記ガス拡散層114で拡散されながら燃料極膜112に供給されると共に、酸化ガスがガス拡散層114で拡散されながら酸化極膜113に供給されることにより、燃料ガス及び酸化ガスが上記セルで電気化学的に反応して、燃料極膜112側で水素ガスから生成したプロトン(H+)が固体高分子電解質膜111内を酸化極膜113側へ移動すると共に、燃料極膜112側で水素ガスから生成した電子(e-)が前記ガス拡散層114及び前記セパレータ115から外部の電気回路を経由して酸化極膜113側へセパレータ115及びガス拡散層114を介して流れる。これにより、酸化極膜113側で酸素を上記プロトン及び上記電子と反応させて水を発生させながら発電することができる。
In such a polymer
前述したような固体高分子電解質形燃料電池110においては、出力密度及び電池効率の向上を可能な限り図るため、電流−電圧特性をできるだけ高めることが強く求められている。このため、燃料極膜112や酸化極膜113に加える触媒の高性能化が現在種々検討されているが、開発に多大なコストがかかってしまうだけでなく、目的とする性能を得ることが困難な状況となっている。
In the solid polymer
このようなことから、本発明は、難易度や開発リスクの高い高性能の触媒開発を新たに行うことを避けて、多大なコストを費やすことなく電流−電圧特性を向上させることができる固体高分子電解質膜電極接合体並びにその製造方法及びこの接合体を利用する固体高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。 For this reason, the present invention avoids newly developing a high-performance catalyst with a high degree of difficulty and development risk, and can improve the current-voltage characteristics without spending a great deal of cost. It is an object of the present invention to provide a molecular electrolyte membrane electrode assembly, a production method thereof, and a solid polymer electrolyte fuel cell using the assembly.
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体は、固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだ固体高分子電解質膜電極接合体において、前記酸化極膜が、前記固体高分子電解質膜と接触する基礎層と、前記基礎層上に形成されて厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部及び窪部を複数有する付加層とからなり、前記付加層の前記突起部と前記窪部との前記基礎層上での境界位置b1と、前記付加層の前記突起部の幅方向中央位置を前記基礎層と前記固体高分子電解質膜との界面に投影した位置a1とを結ぶ長さが、当該酸化極膜に対する酸化ガスのガス拡散最大長E1をなす共に、前記基礎層の厚さA1と前記付加層の厚さB1との合計厚さ(A1+B1)が、前記ガス拡散最大長E1よりも大きく、さらに、下記の式(11),(12)の関係を満たしていることを特徴とする。
f1(i/α1)−f1(i)
−ρ1i[A1+{B1(C1+D1)/D1}−E1]>0・・・(11)
α1={A1(C1+D1)+B1D1}/{E1(C1+D1)} ・・・(12)
ただし、f1(i)は、前記酸化極膜と同一材料からなると共に前記ガス拡散最大長E1の均一な厚さを有する基準酸化極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数、ρ1は、前記基準酸化極膜の抵抗率、iは、電流密度、C1は、酸化極膜の付加層の隣り合う突起部の間での窪部の長さ、D1は、酸化極膜の付加層の隣り合う窪部の間での突起部の長さである。
The solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the first invention for solving the above-described problem is a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode membrane and an oxide electrode membrane. In the body, the oxide electrode film has a base layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and a plurality of striped protrusions and depressions formed on the base layer and having irregularities in the thickness direction. Ri Do and a layer, wherein the protrusion of the additional layer and the boundary position b1 in the basal layer of the recess, said solid high a widthwise center position of the protrusion of the additional layer and the underlying layer The length connecting the position a1 projected on the interface with the molecular electrolyte membrane forms the gas diffusion maximum length E1 of the oxidizing gas with respect to the oxidation electrode film, and the base layer thickness A1 and the additional layer thickness B1. And the total thickness (A1 + B1) is greater than the maximum gas diffusion length E1 Listen further, the following equation (11), characterized in that it satisfies the relation (12).
f1 (i / α1) −f1 (i)
−ρ1i [A1 + {B1 (C1 + D1) / D1} −E1]> 0 (11)
α1 = {A1 (C1 + D1) + B1D1} / {E1 (C1 + D1)} (12)
Here, f1 (i) is a current-voltage characteristic function after correction of ohmic resistance of a reference oxide electrode film made of the same material as the oxide electrode film and having a uniform thickness of the maximum gas diffusion length E1 , ρ1 the resistivity of the reference oxide electrode film, i is the current density, C1 is the length of the recess between the projections adjacent the additional layer of oxide electrode film, D1, an additional layer of oxide electrode film It is the length of the projection part between the adjacent recessed parts.
第二番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体は、第一番目の発明において、前記燃料極膜が、前記固体高分子電解質膜と接触する基礎層と、前記基礎層上に形成されて厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部及び窪部を複数有する付加層とからなり、前記付加層の前記突起部と前記窪部との前記基礎層上での境界位置b2と、前記付加層の前記突起部の幅方向中央位置を前記基礎層と前記固体高分子電解質膜との界面に投影した位置a2とを結ぶ長さが、当該酸化極膜に対する酸化ガスのガス拡散最大長E2をなす共に、前記基礎層の厚さA2と前記付加層の厚さB2との合計厚さ(A2+B2)が、前記ガス拡散最大長E2よりも大きく、さらに、下記の式(21),(22)の関係を満たしていることを特徴とする。
f2(i/α2)−f2(i)
−ρ2i[A2+{B2(C2+D2)/D2}−E2]>0・・・(21)
α2={A2(C2+D2)+B2D2}/{E2(C2+D2)} ・・・(22)
ただし、f2(i)は、前記燃料極膜と同一材料からなると共に前記ガス拡散最大長E2の均一な厚さを有する基準燃料極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数、ρ2は、前記基準燃料極膜の抵抗率、iは、電流密度、C2は、燃料極膜の付加層の隣り合う突起部の間での窪部の長さ、D2は、燃料極膜の付加層の隣り合う窪部の間での突起部の長さである。
A solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to a second invention is the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the first invention, wherein the fuel electrode membrane is formed on a base layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and on the base layer. Ri Do and a thickness protrusion stripe-shaped forming an uneven shape in the direction and the recess includes a plurality of additional layers Te, the boundary position b2 in the basal layer of the protrusion and the recess of the additional layer The length connecting the center position in the width direction of the protrusion of the additional layer to the position a2 projected on the interface between the base layer and the solid polymer electrolyte membrane is the maximum gas diffusion of the oxidizing gas with respect to the oxidation electrode film. The total thickness (A2 + B2) of the base layer thickness A2 and the additional layer thickness B2 together with the length E2 is larger than the maximum gas diffusion length E2, and the following formula (21), The relationship (22) is satisfied.
f2 (i / α2) −f2 (i)
−ρ2i [A2 + {B2 (C2 + D2) / D2} −E2]> 0 (21)
α2 = {A2 (C2 + D2) + B2D2} / {E2 (C2 + D2)} (22)
However, f2 (i), the conjunction consisting fuel electrode film of the same material of the reference fuel electrode film having a uniform thickness of the gas diffusion maximum length E2, ohmic resistance losses corrected current - voltage characteristic function, [rho] 2 the resistivity of the reference fuel electrode film, i is the current density, C2, the length of the recess between the projections adjacent the additional layer of fuel electrode film, D2, an additional layer of fuel electrode film It is the length of the projection part between the adjacent recessed parts.
第三番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体は、固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだ固体高分子電解質膜電極接合体において、前記燃料極膜が、前記固体高分子電解質膜と接触する基礎層と、前記基礎層上に形成されて厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部及び窪部を複数有する付加層とからなり、前記付加層の前記突起部と前記窪部との前記基礎層上での境界位置b2と、前記付加層の前記突起部の幅方向中央位置を前記基礎層と前記固体高分子電解質膜との界面に投影した位置a2とを結ぶ長さが、当該酸化極膜に対する酸化ガスのガス拡散最大長E2をなす共に、前記基礎層の厚さA2と前記付加層の厚さB2との合計厚さ(A2+B2)が、前記ガス拡散最大長E2よりも大きく、さらに、下記の式(21),(22)の関係を満たしていることを特徴とする。
f2(i/α2)−f2(i)
−ρ2i[A2+{B2(C2+D2)/D2}−E2]>0・・・(21)
α2={A2(C2+D2)+B2D2}/{E2(C2+D2)} ・・・(22)
ただし、f2(i)は、前記燃料極膜と同一材料からなると共に前記ガス拡散最大長E2の均一な厚さを有する基準燃料極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数、ρ2は、前記基準燃料極膜の抵抗率、iは、電流密度、C2は、燃料極膜の付加層の隣り合う突起部の間での窪部の長さ、D2は、燃料極膜の付加層の隣り合う窪部の間での突起部の長さである。
A solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to a third invention is a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode membrane and an oxide electrode membrane, wherein the fuel electrode membrane comprises: the solid and base layer in contact with the polymer electrolyte membrane, Ri Do from an additional layer having a plurality of projections and recesses of the stripe-shaped forming an uneven shape in the thickness direction is formed on the foundation layer, the additional layer The projecting portion of the projection and the depression on the base layer b2 and the center position in the width direction of the projection of the additional layer are projected onto the interface between the base layer and the solid polymer electrolyte membrane. The length connecting the position a2 forms the gas diffusion maximum length E2 of the oxidizing gas with respect to the oxide electrode film, and the total thickness (A2 + B2) of the base layer thickness A2 and the additional layer thickness B2 is the gas diffusion greater than the maximum length E2, further the following equation (21 , Characterized in that it satisfies the relation (22).
f2 (i / α2) −f2 (i)
−ρ2i [A2 + {B2 (C2 + D2) / D2} −E2]> 0 (21)
α2 = {A2 (C2 + D2) + B2D2} / {E2 (C2 + D2)} (22)
However, f2 (i), the conjunction consisting fuel electrode film of the same material of the reference fuel electrode film having a uniform thickness of the gas diffusion maximum length E2, ohmic resistance losses corrected current - voltage characteristic function, [rho] 2 the resistivity of the reference fuel electrode film, i is the current density, C2, the length of the recess between the projections adjacent the additional layer of fuel electrode film, D2, an additional layer of fuel electrode film It is the length of the projection part between the adjacent recessed parts.
また、前述した課題を解決するための、第四番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法は、第一番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の前記基礎層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記酸化極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の上記面に設けることを特徴とする。 Further, in order to solve the aforementioned problems, the manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to a fourth invention, in the manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the first-th invention A catalyst for supporting an oxide electrode film in which a carbon powder carrying a catalyst and a binder are dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte film and dried to form the base of the oxide electrode film. After forming the layer, a masking member having a shape corresponding to the depression of the additional layer of the oxidation electrode film is disposed on the base layer, and further provided with a slurry for the oxidation electrode film, the masking By removing the member and drying, the oxide electrode film having the additional layer on the base layer is provided on the surface of the solid polymer electrolyte membrane.
第五番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法は、第一番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の原型層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設けることを特徴とする。 Method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to a fifth invention is a manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the first-th invention, a carbon powder supporting a catalyst A slurry for an oxide electrode film in which a binder is dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the oxide electrode film. The oxide layer having the additional layer on the base layer is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane by pressing a mold member having a shape corresponding to the depression of the additional layer against the original layer. It is characterized by that.
第六番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法は、第三番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の前記基礎層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記燃料極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設けることを特徴とする。 Method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to a sixth invention is a third-th method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the invention, a carbon powder supporting a catalyst A fuel electrode membrane slurry in which a binder is dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form the base layer of the fuel electrode membrane. A masking member having a shape corresponding to the recess of the additional layer is disposed on the base layer, and further provided with a slurry for the fuel electrode membrane, and then the masking member is removed and dried. The fuel electrode membrane having the additional layer on a base layer is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane.
第七番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法は、第三番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の原型層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設けることを特徴とする。 Method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to a seventh aspect of the present invention, in the third th method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the invention, a carbon powder supporting a catalyst A fuel electrode membrane slurry in which a binder is dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the fuel electrode membrane. The fuel electrode membrane having the additional layer on the base layer is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane by pressing a mold member having a shape corresponding to the depression of the additional layer against the prototype layer. It is characterized by that.
第八番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法は、第二番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の前記基礎層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記酸化極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の上記面に設けると共に、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の残りの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の前記基礎層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記燃料極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の残りの面に設けることを特徴とする。 A method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the eighth invention is a method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the second invention, comprising a carbon powder carrying a catalyst and After forming a base layer of the oxidation electrode film by providing a slurry for the oxidation electrode film in which a binder is dispersed in a solvent and drying the slurry on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, A masking member having a shape corresponding to the depression of the additional layer is disposed on the base layer, and further provided with a slurry for the oxide electrode film, and then the masking member is removed and dried. A slurry for a fuel electrode membrane in which the oxide electrode membrane having the additional layer on the base layer is provided on the surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a carbon powder carrying a catalyst and a binder are dispersed in a solvent. The solid polymer battery After forming the base layer of the fuel electrode membrane by providing on the remaining surface of the membrane and drying, a masking member having a shape corresponding to the recess of the additional layer of the fuel electrode membrane is formed on the base layer The fuel electrode membrane having the additional layer on the base layer is removed from the solid polymer electrolyte membrane by disposing and further providing a slurry for the fuel electrode membrane and then drying the masking member. It is provided on the remaining surface.
第九番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法は、第二番目の発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の原型層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設けると共に、触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の残りの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の原型層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の残りの面に設けることを特徴とする。 A method for producing a solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to a ninth invention is a method for producing a solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to the second invention, comprising a carbon powder carrying a catalyst and A slurry for an oxide electrode film in which a binder is dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the oxide electrode film. The oxide layer having the additional layer on the base layer is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane by pressing a mold member having a shape corresponding to the depression of the additional layer against the original layer. In addition, a fuel electrode membrane slurry in which carbon powder supporting a catalyst and a binder are dispersed in a solvent is provided on the remaining surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the fuel electrode membrane. After forming, the additional layer of the fuel electrode membrane The fuel electrode membrane having the additional layer on the base layer is provided on the remaining surface of the solid polymer electrolyte membrane by pressing a mold member having a shape corresponding to the recess to the prototype layer. And
また、前述した課題を解決するための、第十番目の発明に係る固体高分子電解質形燃料電池は、第一番目から第三番目の発明のいずれかの固体高分子電解質膜電極接合体と、前記固体高分子電解質膜電極接合体を挟むように対をなして配設されるガス拡散層と、前記ガス拡散層を介して前記固体高分子電解質膜電極接合体を挟むように対をなして配設されるセパレータとを備えていることを特徴とする。 Moreover, a solid polymer electrolyte fuel cell according to the tenth invention for solving the above-mentioned problem is a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to any one of the first to third inventions, A gas diffusion layer disposed in pairs so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly, and a pair so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly via the gas diffusion layer And a separator to be disposed.
本発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体によれば、電極膜が上述したような関係を満たす構造をなしていることから、難易度や開発リスクの高い高性能の触媒開発を新たに行うことを避けて、多大なコストを費やすことなく電流−電圧特性を従来よりも大幅に向上させることができる。 According to the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the present invention, since the electrode membrane has a structure satisfying the above-described relationship, a high-performance catalyst development with high difficulty and development risk is newly performed. By avoiding this, the current-voltage characteristics can be greatly improved as compared with the prior art without spending a great deal of cost.
このため、本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池によれば、発電性能を従来よりも大幅に向上させることが簡単に低コストで実現できる。 For this reason, according to the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, it is possible to easily and significantly reduce the power generation performance at a low cost.
また、本発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法によれば、上述したような効果を有する本発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体を容易に製造することができる。 Moreover, according to the manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly which concerns on this invention, the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly which has the effect as mentioned above can be manufactured easily.
本発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体並びにその製造方法及びこの接合体を利用する固体高分子電解質形燃料電池の実施形態を図1〜5に基づいて説明する。図1は、固体高分子電解質形燃料電池の要部の概略構成図、図2は、図1の固体高分子電解質膜電極接合体の電極膜の一部抽出拡大斜視図、図3は、基準酸化極膜及び基準燃料極膜の説明図、図4は、図1の固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法の説明図、図5は、電極膜の電流−電圧特性を表すグラフである。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。 An embodiment of a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the present invention, a production method thereof, and a solid polymer electrolyte fuel cell using the assembly will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of a solid polymer electrolyte fuel cell, FIG. 2 is a partially extracted enlarged perspective view of an electrode membrane of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of the method for producing the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly of FIG. 1, and FIG. 5 is a graph showing the current-voltage characteristics of the electrode membrane. . Note that the present invention is not limited to the embodiments described below.
図1に示すように、プロトン(H+)伝導性を有する固体高分子電解質膜11の一方面側には、Pt−Ru系等の触媒金属を含有して導電性及びガス透過性を有する燃料極膜12が配設されている。固体高分子電解質膜11の他方面側には、Pt系等の触媒金属を含有して導電性及びガス透過性を有する酸化極膜13が配設されている。
As shown in FIG. 1, on one side of a solid
上記固体高分子電解質膜11,燃料極膜12,酸化極膜13等からなる固体高分子電解質膜電極接合体(セル)の一方面側の電極膜である燃料極膜12側及び他方面側の電極膜である酸化極膜13側には、導電性及びガス拡散性を有するガス拡散層14がそれぞれ配設されている。上記ガス拡散層14を配設された上記セルの一方面側及び他方面側には、水素ガス等の燃料ガス流通路15aを一方面に形成されて、空気や酸素等の酸化ガス流通路15bを他方面に形成されると共に導電性を有するセパレータ15がそれぞれ配設されている。
The
図1,2に示すように、前記燃料極膜12及び前記酸化極膜13は、前記固体高分子電解質膜11側に位置して当該固体高分子電解質膜11全体にわたって接触する基礎層12a,13aと、前記ガス拡散層14側に位置するように上記基礎層12a,13a上に形成されて厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部12ba,13ba及び窪部12bb,13bbを複数有する付加層12b,13bとからなっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ここで、上記酸化極膜13と同一材料からなる均一な厚さE1を有する基準酸化極膜3(図3(a)参照)の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数をf1(i)とし、上記基準酸化極膜3の抵抗率をρ1とし、iを電流密度とし、上記酸化極膜13において、上記基礎層13aの厚さをA1とし、上記付加層13bの厚さ(上記突起部13baの高さ又は上記窪部13bbの深さ)をB1とし、隣り合う上記突起部13baの間での上記窪部13bbの長さをC1とし、隣り合う上記窪部13bbの間での上記突起部13baの長さをD1とすると、上記酸化極膜13は、下記の式(11),(12)を満たす関係を有している。
Here, the current-voltage characteristic function of the reference oxide electrode film 3 (see FIG. 3A) made of the same material as that of the
f1(i/α1)−f1(i)
−ρ1i[A1+{B1(C1+D1)/D1}−E1]>0・・・(11)
α1={A1(C1+D1)+B1D1}/{E1(C1+D1)} ・・・(12)
f1 (i / α1) −f1 (i)
−ρ1i [A1 + {B1 (C1 + D1) / D1} −E1]> 0 (11)
α1 = {A1 (C1 + D1) + B1D1} / {E1 (C1 + D1)} (12)
なお、上記突起部13baと上記窪部13bbとの上記基礎層13a上での境界位置b1と、上記突起部13baの幅方向中央位置を上記基礎層13aと前記固体高分子電解質膜11との界面に投影した位置a1とを結ぶ長さは、上記基準酸化極膜3の厚さE1と等しくなっている。
Note that the boundary position b1 between the protrusion 13ba and the recess 13bb on the
他方、上記燃料極膜12と同一材料からなる均一な厚さE2を有する基準酸化極膜2(図3(b)参照)の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数をf2(i)とし、上記基準燃料極膜2の抵抗率をρ2とし、iを電流密度とし、上記燃料極膜12において、上記基礎層12aの厚さをA2とし、上記付加層12bの厚さ(上記突起部12baの高さ又は上記窪部12bbの深さ)をB2とし、隣り合う上記突起部12baの間での上記窪部12bbの長さをC2とし、隣り合う上記窪部12bbの間での上記突起部12baの長さをD2とすると、上記燃料極膜12は、下記の式(21),(22)を満たす関係を有している。
On the other hand, the current-voltage characteristic function of the reference oxide electrode film 2 (see FIG. 3B) having a uniform thickness E2 made of the same material as that of the
f2(i/α2)−f2(i)
−ρ2i[A2+{B2(C2+D2)/D2}−E2]>0・・・(21)
α2={A2(C2+D2)+B2D2}/{E2(C2+D2)} ・・・(22)
f2 (i / α2) −f2 (i)
−ρ2i [A2 + {B2 (C2 + D2) / D2} −E2]> 0 (21)
α2 = {A2 (C2 + D2) + B2D2} / {E2 (C2 + D2)} (22)
なお、上記突起部12baと上記窪部12bbとの上記基礎層12a上での境界位置b2と、上記突起部12baの幅方向中央位置を上記基礎層12aと前記固体高分子電解質膜11との界面に投影した位置a2とを結ぶ長さは、上記基準燃料極膜の厚さE2と等しくなっている。
Note that the boundary position b2 of the protrusion 12ba and the recess 12bb on the
このような構造をなすセルは、例えば、Pt系の触媒を担持させたカーボン粉末と、陽イオン交換体高分子等の高分子電解質からなるバインダとをエタノール等の溶媒中に分散させて酸化極膜用のスラリを作製し、この酸化極膜用のスラリを上記固体高分子電解質膜11の他方面に所定量で噴霧や塗布等して設けて乾燥させて上記酸化極膜13の上記基礎層13aを形成した後、図4に示すように、上記酸化極膜13の前記付加層13bの前記窪部13bbに対応する形状のマスキング部材M1を当該基礎層13a上に配設して、上記酸化極膜用のスラリ13LをスプレノズルN1等からさらに噴霧等して設けた後に上記マスキング部材M1を除去して乾燥させることにより、上記基礎層13a上に前記付加層13bを有する酸化極膜13を上記固体高分子電解質膜11の他方面に設けると共に、Pt−Ru系の触媒を担持させたカーボン粉末と、陽イオン交換体高分子等の高分子電解質からなるバインダとをエタノール等の溶媒中に分散させて燃料極膜用のスラリを作製し、この燃料極膜用のスラリを上記固体高分子電解質膜11の一方面に所定量で噴霧や塗布等して設けて乾燥させて上記燃料極膜12の上記基礎層12aを形成した後、図4に示すように、上記燃料極膜12の前記付加層12bの前記窪部12bbに対応する形状のマスキング部材M2を当該基礎層12a上に配設して、上記燃料極膜用のスラリ12LをスプレノズルN2等からさらに噴霧等して設けた後に上記マスキング部材M2を除去して乾燥させることにより、上記基礎層12a上に前記付加層12bを有する燃料極膜12を上記固体高分子電解質膜11の一方面に設けることにより、容易に得ることができる。
A cell having such a structure includes, for example, an oxide electrode film in which a carbon powder supporting a Pt-based catalyst and a binder made of a polymer electrolyte such as a cation exchanger polymer are dispersed in a solvent such as ethanol. The
また、例えば、酸化極膜用の前記スラリを上記固体高分子電解質膜11の他方面に所定量で噴霧や塗布等して設けて乾燥させて酸化極膜13の原型層を形成した後、上記酸化極膜13の前記付加層13bの前記窪部13bbに対応する形状の型部材を当該原型層に所定時間押圧することにより、基礎層13a上に付加層13bを有する酸化極膜13を上記固体高分子電解質膜11の他方面に設けると共に、燃料極膜用の前記スラリを上記固体高分子電解質膜11の一方面に所定量で噴霧や塗布等して設けて乾燥させて燃料極膜12の原型層を形成した後、上記燃料極膜12の前記付加層12bの前記窪部12bbに対応する形状の型部材を当該原型層に所定時間押圧することにより、基礎層12a上に付加層12bを有する燃料極膜12を上記固体高分子電解質膜11の他方面に設けることでも、容易に得ることができる。
Further, for example, after forming the original layer of the
そして、上記セル(11−13)を上記ガス拡散層14及び上記セパレータ15で挟むようにしながら上記各部材11−15を複数積層することにより、固体高分子電解質形燃料電池10のスタックが構成される。
A stack of the solid polymer
このような固体高分子電解質形燃料電池10においては、上記セパレータ15の燃料ガス流通路15aへ燃料ガスを供給すると共に、上記セパレータ15の酸化ガス流通路15bへ酸化ガスを供給すると、燃料ガスが前記ガス拡散層14で拡散されながら燃料極膜12に供給されると共に、酸化ガスがガス拡散層14で拡散されながら酸化極膜13に供給されることにより、燃料ガス及び酸化ガスが上記セルで電気化学的に反応して、燃料極膜12側で水素ガスから生成したプロトン(H+)が固体高分子電解質膜11内を酸化極膜13側へ移動すると共に、燃料極膜12側で水素ガスから生成した電子(e-)が前記ガス拡散層14及び前記セパレータ15から外部の電気回路を経由して酸化極膜13側へセパレータ15及びガス拡散層14を介して流れる。これにより、酸化極膜13側で酸素を上記プロトン及び上記電子と反応させて水を発生させながら発電することができる。
In such a solid polymer
このとき、燃料極膜12及び酸化極膜13が、前記式(11),(12),(21),(22)を満たす関係を有する上述したような構造をなしていることから、難易度や開発リスクの高い高性能の触媒開発を新たに行うことを避けて、多大なコストを費やすことなく電流−電圧特性を向上させることができ、発電性能を従来よりも大幅に向上させることが簡単に低コストで実現できる。この理由を以下に説明する。
At this time, since the
電極膜の性能は、主に、原料ガスの透過性、原料ガスと触媒との反応量、オーム抵抗損等によって左右される。原料ガスの透過性は、主に、バインダとして用いる陽イオン交換体高分子等の高分子電解質の種類や配合比、触媒の種類や含有量、電極膜の厚さ等に起因している。原料ガスと触媒との反応量は、主に、触媒の種類や含有量、バインダとして用いる陽イオン交換体高分子等の高分子電解質の種類や配合比に基づく原料ガスの透過性、原料ガスの種類等によって決定される。オーム抵抗損は、触媒の種類、触媒の含有量、バインダとして用いる陽イオン交換体高分子等の高分子電解質の種類や配合比、電極膜の厚さ等によって決まる。 The performance of the electrode film mainly depends on the permeability of the source gas, the reaction amount between the source gas and the catalyst, the ohmic resistance loss, and the like. The permeability of the source gas is mainly due to the type and blending ratio of the polymer electrolyte such as the cation exchanger polymer used as the binder, the type and content of the catalyst, the thickness of the electrode film, and the like. The amount of reaction between the source gas and the catalyst mainly depends on the type and content of the catalyst, the permeability of the source gas based on the type and blending ratio of the polymer electrolyte such as the cation exchanger polymer used as the binder, and the type of the source gas. Determined by etc. The ohmic resistance loss is determined by the type of catalyst, the content of the catalyst, the type and blending ratio of a polymer electrolyte such as a cation exchanger polymer used as a binder, the thickness of the electrode film, and the like.
つまり、電極膜は、使用する触媒の種類やバインダの材質や原料ガスの種類等が決まれば、その性能を最も高く発現できる触媒の含有量や厚さ等の最適値がおのずと決まるようになっていたのである。 In other words, when the type of catalyst to be used, the material of the binder, the type of raw material gas, etc. are determined, the optimum values such as the content and thickness of the catalyst that can achieve the highest performance are naturally determined. It was.
このため、現在、電極膜に加える触媒の高性能化を図ることにより、電極膜の性能の向上を目指しているものの、開発に多大なコストがかかってしまうだけでなく、目的とする性能を得ることが困難な状況となっている。 For this reason, while aiming to improve the performance of the electrode film by improving the performance of the catalyst to be added to the electrode film, not only does it cost a lot of development, but also the desired performance is obtained. This is a difficult situation.
そこで、本発明者らが種々検討した結果、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって、反応総表面積の増加に起因する電流密度の減少に伴って向上する電圧量を、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって、厚さの増加に起因するオーム抵抗損の増加に伴って低下する電圧量よりも、大きくすることができるのであれば、従来から使用している触媒やバインダ等であっても、従来の電極膜よりも性能を向上させることができると考えて、本発明を完成させるに至ったのである。 Therefore, as a result of various studies by the present inventors, by increasing the catalyst content per unit apparent area, the amount of voltage that is improved as the current density is decreased due to the increase in the total surface area of the reaction can be determined. If the amount of the catalyst per area can be increased, the voltage can be made larger than the voltage that decreases as the ohmic resistance loss increases due to the increase in thickness. Even if it is a catalyst, a binder, or the like, the present invention has been completed on the assumption that the performance can be improved over the conventional electrode film.
つまり、使用する触媒の種類やバインダの材質や原料ガスの種類等に基づいて、全体として、電極膜の内部のすべての位置に原料ガスを滞りなく行き渡らせることが可能な電極膜の最大の長さ(ガス拡散最大長)よりも大きい厚さを有するものの、ガス拡散抵抗を増加させずに、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって生じる、オーム抵抗損の増加に伴う電圧低下量よりも、電流密度の減少に伴う電圧向上量を大きくするように、電極膜の寸法を設定するのである。 In other words, based on the type of catalyst used, the material of the binder, the type of raw material gas, etc., the maximum length of the electrode film that can spread the raw material gas to all positions inside the electrode film as a whole as a whole. Voltage drop due to increased ohmic resistance loss caused by increasing the catalyst content per unit apparent area without increasing the gas diffusion resistance, but with a thickness greater than the thickness (maximum gas diffusion length) The size of the electrode film is set so that the amount of voltage improvement accompanying the decrease in current density is larger than the amount.
これを具体的にしたものが、先に説明したような式(11),(12),(21),(22)の関係を満たす図1,2等に示した構造なのである。この上記式(11),(12),(21),(22)について以下に説明する。 A specific example of this is the structure shown in FIGS. 1 and 2 and the like that satisfy the relationships of the equations (11), (12), (21), and (22) as described above. The above formulas (11), (12), (21), and (22) will be described below.
まず、「全体として、ガス拡散最大長よりも大きい厚さを有するものの、ガス拡散抵抗を増加させずに、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって生じる、オーム抵抗損の増加に伴う電圧低下量よりも、電流密度の減少に伴う電圧向上量を大きくする」ことが可能な電極膜の形状として、図1,2に示したような、厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部12ba,13ba及び窪部12bb,13bbを複数有する付加層12b,13bを基礎層12a,13a上に形成し、前記電極膜12,13の前記基礎層12a,13aの厚さA1,A2と前記付加層12b,13bの厚さB1,B2との合計厚さ(A1+B1,A2+B2)を前記ガス拡散最大長よりも大きくした構造等が考えられる。
First, “Overall, it has a thickness larger than the maximum gas diffusion length, but does not increase the gas diffusion resistance, but increases the ohmic resistance loss caused by increasing the catalyst content per unit apparent area. As the shape of the electrode film capable of making the voltage improvement amount accompanying the decrease in the current density larger than the accompanying voltage drop amount, as shown in FIGS.
このような図1,2に示した縞形の構造において、前記式(11),(12),(21),(22)で用いているE1,E2の値を上記ガス拡散最大長とすることにより、「単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって、反応総表面積の増加に起因する電流密度の減少に伴って向上する電圧量を、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって、厚さの増加に起因するオーム抵抗損の増加に伴って低下する電圧量よりも、大きくする」ことを、ガス拡散抵抗を増加させずに最大にすることができる。 In the striped structure shown in FIGS. 1 and 2, the values of E1 and E2 used in the equations (11), (12), (21), and (22) are the maximum gas diffusion length. `` By increasing the catalyst content per unit apparent area, the amount of voltage that increases as the current density decreases due to the increase in the total surface area of the reaction, the catalyst content per unit apparent area By increasing the voltage, it is possible to maximize the voltage without decreasing the gas diffusion resistance by increasing the voltage amount that decreases with the increase in ohmic resistance loss due to the increase in thickness.
また、「単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって生じる、オーム抵抗損の増加に伴う電圧低下量よりも、電流密度の減少に伴う電圧向上量を大きくする」ことは、下記の式(1)で表わすことができる。 In addition, “increasing the amount of voltage improvement due to the decrease in current density over the amount of voltage decrease due to the increase in ohmic resistance loss caused by increasing the content of the catalyst per unit apparent area” It can be expressed by equation (1).
δi=βi−γi>0・・・(1) δi = βi−γi> 0 (1)
なお、δiは、電流密度iのときの電圧向上量、βiは、電流密度iのときの、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって生じる電圧向上量、γiは、電流密度iのときの、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって生じるオーム抵抗損の増加量である。 Here, δi is a voltage improvement amount at the current density i, βi is a voltage improvement amount generated by increasing the content of the catalyst per unit apparent area at the current density i, and γi is a current density i. Is the amount of increase in ohmic resistance loss caused by increasing the content of the catalyst per unit apparent area.
このβiは、下記の式(2),(3)でさらに表わすことができる。 This βi can be further expressed by the following equations (2) and (3).
βi=f(i/α)−f(i)・・・・・・・・・・・(2)
α={A(C+D)+BD}/{E(C+D)}・・・(3)
βi = f (i / α) −f (i) (2)
α = {A (C + D) + BD} / {E (C + D)} (3)
なお、f(i)は、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させる前の電極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数、f(i/α)は、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させた後の電極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数である(図5参照)。 In addition, f (i) is a current-voltage characteristic function after correcting the ohmic resistance loss of the electrode film before increasing the catalyst content per unit apparent area, and f (i / α) is per unit apparent area. 6 is a current-voltage characteristic function of the electrode film after correcting the ohmic resistance loss after increasing the content of the catalyst (see FIG. 5).
また、αは、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させる前に対する増加させた後の電極膜の体積増加割合、Aは、前記基礎層12a,13aの厚さ、Bは、前記付加層12b,13bの厚さ(前記突起部12ba,13baの高さ又は前記窪部12bb,13bbの深さ)、Cは、隣り合う前記突起部12ba,13baの間での前記窪部12bb,13bbの長さ、Dは、隣り合う前記窪部12bb,13bbの間での前記突起部12ba,13baの長さである。 Α is the volume increase ratio of the electrode film after increasing the catalyst content per unit apparent area before increasing, A is the thickness of the base layers 12a and 13a, and B is the additional layer. The thickness of 12b, 13b (the height of the protrusions 12ba, 13ba or the depth of the recesses 12bb, 13bb), C is the distance between the adjacent protrusions 12ba, 13ba. The length D is the length of the protrusions 12ba and 13ba between the adjacent recesses 12bb and 13bb.
他方、上記γiは、下記の式(4)でさらに表わすことができる。 On the other hand, the γi can be further expressed by the following formula (4).
γi=RaI−RbI・・・(4) γi = RaI−RbI (4)
なお、Raは、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させた後の電極膜のオーム抵抗損、Rbは、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させる前の電極膜のオーム抵抗損、Iは電流値である(図5参照)。 Ra is the ohmic resistance loss of the electrode film after increasing the catalyst content per unit apparent area, and Rb is the ohmic resistance loss of the electrode film before increasing the catalyst content per unit apparent area. , I are current values (see FIG. 5).
ここで、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させる前の電極膜、すなわち、従来の平坦な電極膜は、通常、その厚さがガス拡散最大長に設定されている。このため、厚さをガス拡散最大長に設定した従来の平坦な電極膜上に凹凸状をなすように体積を単に増加させてしまうと、図1に示す前記位置b1,b2と前記位置a1,a2とを結ぶ長さE1,E2が、ガス拡散最大長よりも長くなってしまい、電極膜の内部のすべての位置に原料ガスを滞りなく行き渡らせることが難しくなってしまう。 Here, the thickness of the electrode film before increasing the catalyst content per unit apparent area, that is, the conventional flat electrode film, is usually set to the maximum gas diffusion length. Therefore, if the volume is simply increased so as to form an uneven shape on a conventional flat electrode film whose thickness is set to the maximum gas diffusion length, the position b1, b2 and the position a1, shown in FIG. The lengths E1 and E2 connecting a2 become longer than the maximum gas diffusion length, and it becomes difficult to spread the source gas without delay in all positions inside the electrode film.
そのため、先にも説明したように、図1に示す前記位置b1,b2と前記位置a1,a2とを結ぶ上記長さE1,E2をガス拡散最大長とし、さらに、厚さをガス拡散最大長に設定した従来の平坦な電極膜を図3に示すような基準電極膜2,3(厚さE1,E2)として、この基準電極膜2,3のオーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数に基づくことにより、「単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって、反応総表面積の増加に起因する電流密度の減少に伴って向上する電圧量を、単位見掛け面積当たりの触媒の含有量を増加させることによって、厚さの増加に起因するオーム抵抗損の増加に伴って低下する電圧量よりも、大きくする」ことを、ガス拡散抵抗を増加させずに最大にすることが可能となる。
Therefore, as described above, the lengths E1 and E2 connecting the positions b1 and b2 and the positions a1 and a2 shown in FIG. 1 are the gas diffusion maximum lengths, and the thickness is the gas diffusion maximum length. As the
すなわち、前記基礎層12a,13aのオーム抵抗損をRcとし、付加層12b,13bのオーム抵抗損をRdとし、基準電極極膜2,3のオーム抵抗損をReとし、電極膜の面積をSとし、電極膜の抵抗率をρとすることにより、上記式(4)を下記の式(5)で表わすことができる。
That is, the ohmic resistance loss of the base layers 12a and 13a is Rc, the ohmic resistance loss of the
γi=RcI+RdI−ReI
=ρ(I/S)[A+{B(C+D)/D}−E]
=ρi[A+{B(C+D)/D}−E]・・・・・・(5)
γi = RcI + RdI−ReI
= Ρ (I / S) [A + {B (C + D) / D} −E]
= Ρi [A + {B (C + D) / D} −E] (5)
よって、前記式(1)は、上記式(2),(5)を代入されることにより、下記の式(6)で表わされる。 Therefore, the formula (1) is expressed by the following formula (6) by substituting the formulas (2) and (5).
f(i/α)−f(i)
−ρi[A+{B(C+D)/D}−E]>0・・・(6)
f (i / α) −f (i)
-Ρi [A + {B (C + D) / D} -E]> 0 (6)
つまり、上記式(3),(6)の関係を満足させることにより、図5の記載からもわかるように、βiをγiよりも大きくすることができ、δiを正の値、すなわち、電圧量を向上させることができるのである。 That is, by satisfying the relationship of the above formulas (3) and (6), βi can be made larger than γi as can be seen from the description of FIG. Can be improved.
したがって、本実施形態によれば、従来から使用している触媒やバインダ等であっても、従来の電極膜よりも性能を向上させることができるのである。 Therefore, according to the present embodiment, even a conventionally used catalyst, binder, or the like can improve performance compared to a conventional electrode film.
なお、本実施形態では、燃料極膜12及び酸化極膜13の両方に、突起部12ba,13baを有する付加層12b,13bを基礎層12a,13a上に形成するようにしたが、突起部を有する付加層を基礎層上に形成した電極膜を燃料極膜及び酸化極膜のいずれか一方に適用するだけでも、従来よりも発電性能を向上させることができる。特に、燃料極膜だけに適用する場合よりも、酸化極膜だけに適用した方が、より顕著な効果を得ることができるので、好ましい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、E1,E2の値をガス拡散最大長に設定した場合について説明したが、本発明において、E1,E2の値は、ガス拡散最大長から設定される値ではなく、対象となる従来の電極膜(基準電極膜)の厚さから設定される値である。しかしながら、先に説明したように、対象となる従来の電極膜(基準電極膜)の厚さが、通常、ガス拡散最大長に設定されているため、E1,E2の値は、ガス拡散最大長に設定されるようになると共に、ガス拡散最大長に設定されると、電極膜の性能を最も効率よく発現させることができるので、最も好ましい形態となる。 In the present embodiment, the case where the values of E1 and E2 are set to the maximum gas diffusion length has been described. However, in the present invention, the values of E1 and E2 are not values set from the maximum gas diffusion length, Is a value set from the thickness of the conventional electrode film (reference electrode film). However, as described above, since the thickness of the target conventional electrode film (reference electrode film) is normally set to the maximum gas diffusion length, the values of E1 and E2 are the maximum gas diffusion length. When the gas diffusion maximum length is set, the performance of the electrode film can be expressed most efficiently, which is the most preferable mode.
本発明に係る固体高分子電解質膜電極接合体並びにその製造方法及びこの接合体を利用する固体高分子電解質形燃料電池は、上述した説明から明らかなように、各種産業において、極めて有益に利用することができる。 The solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to the present invention, the production method thereof, and the solid polymer electrolyte fuel cell using the assembly are used extremely beneficially in various industries, as is apparent from the above description. be able to.
2 基準燃料極膜
3 基準酸化極膜
10 固体高分子電解質形燃料電池
11 固体高分子電解質膜
12 燃料極膜
12a 基礎層
12b 付加層
12ba 突起部
12bb 窪部
13 酸化極膜
13a 基礎層
13b 付加層
13ba 突起部
13bb 窪部
14 ガス拡散層
15 セパレータ
15a 燃料ガス流通路
15b 酸化ガス流通路
2 Reference Fuel Electrode Membrane 3 Reference
Claims (10)
前記酸化極膜が、
前記固体高分子電解質膜と接触する基礎層と、
前記基礎層上に形成されて厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部及び窪部を複数有する付加層と
からなり、
前記付加層の前記突起部と前記窪部との前記基礎層上での境界位置b1と、前記付加層の前記突起部の幅方向中央位置を前記基礎層と前記固体高分子電解質膜との界面に投影した位置a1とを結ぶ長さが、当該酸化極膜に対する酸化ガスのガス拡散最大長E1をなす共に、
前記基礎層の厚さA1と前記付加層の厚さB1との合計厚さ(A1+B1)が、前記ガス拡散最大長E1よりも大きく、さらに、
下記の式(11),(12)の関係を満たしている
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体。
f1(i/α1)−f1(i)
−ρ1i[A1+{B1(C1+D1)/D1}−E1]>0・・・(11)
α1={A1(C1+D1)+B1D1}/{E1(C1+D1)} ・・・(12)
ただし、
f1(i)は、前記酸化極膜と同一材料からなると共に前記ガス拡散最大長E1の均一な厚さを有する基準酸化極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数、
ρ1は、前記基準酸化極膜の抵抗率、
iは、電流密度、
C1は、酸化極膜の付加層の隣り合う突起部の間での窪部の長さ、
D1は、酸化極膜の付加層の隣り合う窪部の間での突起部の長さ
である。 In a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode membrane and an oxide electrode membrane,
The oxidized electrode film is
A base layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane;
Ri additional layer and Tona having a plurality of projections and recesses of the stripe-shaped forming an uneven shape in the thickness direction are formed on said base layer,
The boundary position b1 on the base layer between the protrusion and the recess of the additional layer and the center position in the width direction of the protrusion of the additional layer are the interfaces between the base layer and the solid polymer electrolyte membrane. The length connecting the position a1 projected onto the oxide electrode forms the gas diffusion maximum length E1 of the oxidizing gas with respect to the oxide electrode film,
The total thickness (A1 + B1) of the base layer thickness A1 and the additional layer thickness B1 is larger than the maximum gas diffusion length E1,
A solid polymer electrolyte membrane electrode assembly characterized by satisfying the following formulas (11) and (12):
f1 (i / α1) −f1 (i)
−ρ1i [A1 + {B1 (C1 + D1) / D1} −E1]> 0 (11)
α1 = {A1 (C1 + D1) + B1D1} / {E1 (C1 + D1)} (12)
However,
f1 (i) is a current-voltage characteristic function of the reference oxide electrode film made of the same material as that of the oxide electrode film and having a uniform thickness of the gas diffusion maximum length E1, after correcting the ohmic resistance loss,
ρ1 is the resistivity of the reference oxide electrode film,
i is the current density ,
C1 is the length of the recess between adjacent protrusions of the additional layer of the oxide electrode film,
D1 is the length of the protrusion between adjacent recesses of the additional layer of the oxide electrode film.
前記燃料極膜が、
前記固体高分子電解質膜と接触する基礎層と、
前記基礎層上に形成されて厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部及び窪部を複数有する付加層と
からなり、
前記付加層の前記突起部と前記窪部との前記基礎層上での境界位置b2と、前記付加層の前記突起部の幅方向中央位置を前記基礎層と前記固体高分子電解質膜との界面に投影した位置a2とを結ぶ長さが、当該酸化極膜に対する酸化ガスのガス拡散最大長E2をなす共に、
前記基礎層の厚さA2と前記付加層の厚さB2との合計厚さ(A2+B2)が、前記ガス拡散最大長E2よりも大きく、さらに、
下記の式(21),(22)の関係を満たしている
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体。
f2(i/α2)−f2(i)
−ρ2i[A2+{B2(C2+D2)/D2}−E2]>0・・・(21)
α2={A2(C2+D2)+B2D2}/{E2(C2+D2)} ・・・(22)
ただし、
f2(i)は、前記燃料極膜と同一材料からなると共に前記ガス拡散最大長E2の均一な厚さを有する基準燃料極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数、
ρ2は、前記基準燃料極膜の抵抗率、
iは、電流密度、
C2は、燃料極膜の付加層の隣り合う突起部の間での窪部の長さ、
D2は、燃料極膜の付加層の隣り合う窪部の間での突起部の長さ
である。 In claim 1,
The fuel electrode membrane is
A base layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane;
Ri additional layer and Tona having a plurality of projections and recesses of the stripe-shaped forming an uneven shape in the thickness direction are formed on said base layer,
The boundary position b2 of the additional layer on the base layer between the protrusion and the recess, and the center position in the width direction of the protrusion on the additional layer are the interfaces between the base layer and the solid polymer electrolyte membrane. The length connecting the position a2 projected on the gas forms the gas diffusion maximum length E2 of the oxidizing gas with respect to the oxidation electrode film,
The total thickness (A2 + B2) of the base layer thickness A2 and the additional layer thickness B2 is larger than the maximum gas diffusion length E2,
A solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly satisfying the following formulas (21) and (22):
f2 (i / α2) −f2 (i)
−ρ2i [A2 + {B2 (C2 + D2) / D2} −E2]> 0 (21)
α2 = {A2 (C2 + D2) + B2D2} / {E2 (C2 + D2)} (22)
However,
f2 (i), the conjunction consisting fuel electrode film of the same material of the reference fuel electrode film having a uniform thickness of the gas diffusion maximum length E2, ohmic resistance losses corrected current - voltage characteristic function,
ρ2 is resistivity of the reference fuel electrode film,
i is the current density ,
C2 is the length of the recess between adjacent protrusions of the additional layer of the fuel electrode membrane,
D2 is the length of the protrusion between adjacent recesses of the additional layer of the fuel electrode membrane.
前記燃料極膜が、
前記固体高分子電解質膜と接触する基礎層と、
前記基礎層上に形成されて厚さ方向に凹凸状をなす縞形の突起部及び窪部を複数有する付加層と
からなり、
前記付加層の前記突起部と前記窪部との前記基礎層上での境界位置b2と、前記付加層の前記突起部の幅方向中央位置を前記基礎層と前記固体高分子電解質膜との界面に投影した位置a2とを結ぶ長さが、当該酸化極膜に対する酸化ガスのガス拡散最大長E2をなす共に、
前記基礎層の厚さA2と前記付加層の厚さB2との合計厚さ(A2+B2)が、前記ガス拡散最大長E2よりも大きく、さらに、
下記の式(21),(22)の関係を満たしている
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体。
f2(i/α2)−f2(i)
−ρ2i[A2+{B2(C2+D2)/D2}−E2]>0・・・(21)
α2={A2(C2+D2)+B2D2}/{E2(C2+D2)} ・・・(22)
ただし、
f2(i)は、前記燃料極膜と同一材料からなると共に前記ガス拡散最大長E2の均一な厚さを有する基準燃料極膜の、オーム抵抗損補正後の電流−電圧特性関数、
ρ2は、前記基準燃料極膜の抵抗率、
iは、電流密度、
C2は、燃料極膜の付加層の隣り合う突起部の間での窪部の長さ、
D2は、燃料極膜の付加層の隣り合う窪部の間での突起部の長さ
である。 In a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode membrane and an oxide electrode membrane,
The fuel electrode membrane is
A base layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane;
Ri additional layer and Tona having a plurality of projections and recesses of the stripe-shaped forming an uneven shape in the thickness direction are formed on said base layer,
The boundary position b2 of the additional layer on the base layer between the protrusion and the recess, and the center position in the width direction of the protrusion on the additional layer are the interfaces between the base layer and the solid polymer electrolyte membrane. The length connecting the position a2 projected on the gas forms the gas diffusion maximum length E2 of the oxidizing gas with respect to the oxidation electrode film,
The total thickness (A2 + B2) of the base layer thickness A2 and the additional layer thickness B2 is larger than the maximum gas diffusion length E2,
A solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly satisfying the following formulas (21) and (22):
f2 (i / α2) −f2 (i)
−ρ2i [A2 + {B2 (C2 + D2) / D2} −E2]> 0 (21)
α2 = {A2 (C2 + D2) + B2D2} / {E2 (C2 + D2)} (22)
However,
f2 (i), the conjunction consisting fuel electrode film of the same material of the reference fuel electrode film having a uniform thickness of the gas diffusion maximum length E2, ohmic resistance losses corrected current - voltage characteristic function,
ρ2 is resistivity of the reference fuel electrode film,
i is the current density ,
C2 is the length of the recess between adjacent protrusions of the additional layer of the fuel electrode membrane,
D2 is the length of the protrusion between adjacent recesses of the additional layer of the fuel electrode membrane.
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の前記基礎層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記酸化極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の上記面に設ける
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to claim 1,
Forming the base layer of the oxide electrode film by providing a slurry for the oxide electrode film in which carbon powder supporting a catalyst and a binder are dispersed in a solvent on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and drying the slurry. After that, a masking member having a shape corresponding to the depression of the additional layer of the oxide electrode film is disposed on the base layer, and after further providing a slurry for the oxide electrode film, the masking member is removed. Then, the oxide electrode membrane having the additional layer on the base layer is provided on the surface of the solid polymer electrolyte membrane by drying the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly.
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の原型層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設ける
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to claim 1,
An oxide electrode membrane slurry in which a catalyst-supported carbon powder and binder are dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the oxide electrode membrane. Thereafter, the mold electrode having a shape corresponding to the concave portion of the additional layer of the oxidation electrode film is pressed against the prototype layer, whereby the oxidation electrode film having the additional layer on the base layer is changed to the solid polymer. A method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly comprising providing on one surface of an electrolyte membrane.
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の前記基礎層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記燃料極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設ける
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to claim 3,
A slurry for a fuel electrode membrane in which carbon powder supporting a catalyst and a binder are dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form the base layer of the fuel electrode membrane After that, a masking member having a shape corresponding to the depression of the additional layer of the fuel electrode membrane is disposed on the base layer, and after further providing a slurry for the fuel electrode membrane, the masking member is removed. And providing the fuel electrode membrane having the additional layer on the base layer on one surface of the solid polymer electrolyte membrane by drying the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly. .
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の原型層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設ける
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to claim 3,
A fuel electrode membrane slurry in which a catalyst-supported carbon powder and a binder are dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the fuel electrode membrane. Thereafter, the fuel electrode membrane having the additional layer on the base layer is pressed into the solid polymer by pressing a mold member having a shape corresponding to the depression of the additional layer of the fuel electrode membrane against the original layer. A method for producing a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly comprising providing on one surface of an electrolyte membrane.
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の前記基礎層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記酸化極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の上記面に設けると共に、
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の残りの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の前記基礎層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状のマスキング部材を上記基礎層上に配設して、上記燃料極膜用のスラリをさらに設けた後に上記マスキング部材を除去して乾燥させることにより、当該基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の残りの面に設ける
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to claim 2,
Forming the base layer of the oxide electrode film by providing a slurry for the oxide electrode film in which carbon powder supporting a catalyst and a binder are dispersed in a solvent on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and drying the slurry. After that, a masking member having a shape corresponding to the depression of the additional layer of the oxide electrode film is disposed on the base layer, and after further providing a slurry for the oxide electrode film, the masking member is removed. And drying to provide the oxide electrode film having the additional layer on the base layer on the surface of the solid polymer electrolyte membrane,
A slurry for a fuel electrode membrane in which carbon powder supporting a catalyst and a binder are dispersed in a solvent is provided on the remaining surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form the base layer of the fuel electrode membrane After that, a masking member having a shape corresponding to the depression of the additional layer of the fuel electrode membrane is disposed on the base layer, and after further providing a slurry for the fuel electrode membrane, the masking member is removed. And providing the fuel electrode membrane having the additional layer on the base layer on the remaining surface of the solid polymer electrolyte membrane by drying the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly. .
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた酸化極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の一つの面に設けて乾燥させて前記酸化極膜の原型層を形成した後、当該酸化極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記酸化極膜を当該固体高分子電解質膜の一つの面に設けると共に、
触媒を担持させたカーボン粉末とバインダとを溶媒中に分散させた燃料極膜用のスラリを前記固体高分子電解質膜の残りの面に設けて乾燥させて前記燃料極膜の原型層を形成した後、当該燃料極膜の前記付加層の前記窪部に対応する形状の型部材を当該原型層に押圧することにより、前記基礎層上に前記付加層を有する前記燃料極膜を当該固体高分子電解質膜の残りの面に設ける
ことを特徴とする固体高分子電解質膜電極接合体の製造方法。 It is a manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to claim 2,
An oxide electrode membrane slurry in which a catalyst-supported carbon powder and binder are dispersed in a solvent is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the oxide electrode membrane. Thereafter, the mold electrode having a shape corresponding to the concave portion of the additional layer of the oxidation electrode film is pressed against the prototype layer, whereby the oxidation electrode film having the additional layer on the base layer is changed to the solid polymer. Provided on one side of the electrolyte membrane,
A fuel electrode membrane slurry in which carbon powder supporting a catalyst and a binder are dispersed in a solvent is provided on the remaining surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried to form a prototype layer of the fuel electrode membrane. Thereafter, the fuel electrode membrane having the additional layer on the base layer is pressed into the solid polymer by pressing a mold member having a shape corresponding to the depression of the additional layer of the fuel electrode membrane against the original layer. A method for producing a solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly, which is provided on the remaining surface of an electrolyte membrane.
前記固体高分子電解質膜電極接合体を挟むように対をなして配設されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層を介して前記固体高分子電解質膜電極接合体を挟むように対をなして配設されるセパレータと
を備えていることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。 The solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3 ,
A gas diffusion layer disposed in pairs so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly; and
A solid polymer electrolyte fuel cell comprising: a separator disposed in a pair so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly through the gas diffusion layer.
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