JP5101185B2 - 膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池 - Google Patents
膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池 Download PDFInfo
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Description
前記第1主面の4辺のうちの互いに対向する1組の辺に沿う部分に配置されており、前記第1主面よりも小さな主面を有しかつ巻回できる膜状の形状を呈する、前記高分子電解質膜を補強するための1対の第1膜補強部材と、
前記第2主面の4辺のうちの互いに対向する1組の辺に沿う部分に配置されており、前記第2主面よりも小さな主面を有しかつ巻回できる膜状の形状を呈する、前記高分子電解質膜を補強するための1対の第2膜補強部材と、
を有しており、
前記1対の第1膜補強部材が配置された前記第1主面の前記1組の辺と、前記1対の第2膜補強部材が配置された前記第2主面の前記1組の辺とが略直交しており、
前記1対の第1膜補強部材と前記1対の第2膜補強部材とは、全体として前記高分子電解質膜の4辺に沿って前記第1主面と前記第2主面とに交互に存在するように延在しかつ前記高分子電解質膜の4隅の部分を挟むように配置されており、
前記第1膜補強部材及び前記第2膜補強部材は、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドからなる群より選択される少なくとも1種の合成樹脂を含んで構成されている、膜−膜補強部材接合体を提供する。
膜−膜補強部材接合体の高分子電解質の第1主面のうちの第1膜補強部材が配置されてない領域の少なくとも一部に配置される第1触媒層と、
膜−膜補強部材接合体の高分子電解質の第2主面のうちの第2膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に配置されている第2触媒層と、
を有する、膜−触媒層接合体を提供する。
膜−触媒層接合体の第1触媒層を被覆するように配置される第1ガス拡散層と、
膜−触媒層接合体の第2触媒層を被覆するように配置される第2ガス拡散層と、
を有する、膜−電極接合体を提供する。
[第1実施形態]
図1は、本発明の膜−膜補強部材接合体の第1実施形態の基本構成の一例を示す斜視図である。図2は、図1に示す膜−膜補強部材接合体1にさらに触媒層が配置された膜−触媒層接合体(本発明の膜−触媒層接合体の第1実施形態)の基本構成の一例を示す斜視図である。また、図3は、図2に示す膜−触媒層接合体2にさらにガス拡散層が配置された膜−電極接合体(本発明の膜−電極接合体の第1実施形態)の基本構成の一例を示す斜視図である。さらに、図4は、図3に示す膜−電極接合体3を具備する高分子電解質形燃料電池(本発明の高分子電解質形燃料電池の第1実施形態)の基本構成の一例(単電池の部分)を示す断面図である。
合物が挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、tは1〜
3の整数を示す。
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r−SO3H ・・・(5)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2−SO3H ・・・(6)
第1膜補強部材22及び第1膜補強部材24は、高分子電解質膜10の第1主面F1の4辺のうちの互いに対向する1組の辺に沿う部分に配置されている。また、第1膜補強部材22及び第1膜補強部材24は、第1主面F1よりも小さい略長方形の主面F22及びF24を有している。これらの第1膜補強部材22及び第1膜補強部材24が高分子電解質膜10に配置されることにより、高分子電解質形燃料電池4(後述の図4参照)を構成した際に、締結圧力がかかることなどによる高分子電解質膜10の破損が十分に防止される。
第4工程P4の行われるエリアには、このエリアで停止した積層体144を、その裏面(上記高分子電解質膜140の主面F1A)から支える図示しない支持手段(例えば支持台)と、高分子電解質膜140の主面F1Bの第2膜補強部材26と第2膜補強部材28との間に第2触媒層32を形成するためのマスク(図示せず)が配置されている。
[第2実施形態]
次に、本発明の膜−膜補強部材接合体の第2実施形態について図面を参照しながら説明する。図11は、本発明の膜−膜補強部材接合体の第2実施形態の基本構成の一例を示す斜視図である。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態は、第1実施形態の膜−膜補強部材接合体1の製造方法において、図7に示す第2工程P2を手作業で行うものである。つまり、本実施形態では、図7において、高分子電解質膜140の一方の主面の側端部に膜補強部材142A及び膜補強部材142Bをはり付けてなる積層体141の他方の主面に、テープ状の膜補強部材136A及びテープ状の膜補強部材136Bが人手により所定長に切断してはり付けられる。その他は実施形態1と同様である。また、第1実施形態の高分子電解質膜10に代えて、第2実施形態の高分子電解質膜−内部補強膜複合体10Aを用いることもできる。
《実施例1》
本実施例では、まず、図1に示した構造を有する本発明の膜−膜補強部材接合体を作製した。
《比較例1》
第1膜補強部材22及び24並びに第2膜補強部材26及び28の代わりに、図13に示した額縁状の保護膜220及び保護膜240(ここでは、何れも実施例1と同じPEN製のもの)を配置したこと以外は、実施例1と同様にして膜−補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体および単電池(単電池2)を作製した。
[評価試験]
(1)エージング処理(活性化処理)
実施例1および比較例1で得られた単電池1及び単電池2を、64℃に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を70%に設定し、空気利用率を55%に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約64℃となるように加湿してから単電池に供給した。そして、電流密度0.2A/cm2 で12時間、単電池を運転してエージングを行った。
(2)電池出力特性評価試験1
実施例1及び比較例1の単電池について、燃料電池の実運転に近い条件で行う定格耐久試験を行った。
(3)電池出力特性評価試験2
実施例1及び比較例1の単電池について、膜電極接合体の劣化を加速して、より短時間で寿命の判断が可能な加速耐久試験を行った。
Claims (6)
- 互いに対向しておりかつ略矩形状を呈する1対の第1主面及び第2主面を有する高分子電解質膜と、
前記第1主面の4辺のうちの互いに対向する1組の辺に沿う部分に配置されており、前記第1主面よりも小さな主面を有しかつ巻回できる膜状の形状を呈する、前記高分子電解質膜を補強するための1対の第1膜補強部材と、
前記第2主面の4辺のうちの互いに対向する1組の辺に沿う部分に配置されており、前記第2主面よりも小さな主面を有しかつ巻回できる膜状の形状を呈する、前記高分子電解質膜を補強するための1対の第2膜補強部材と、
を有しており、
前記1対の第1膜補強部材が配置された前記第1主面の前記1組の辺と、前記1対の第2膜補強部材が配置された前記第2主面の前記1組の辺とが略直交しており、
前記1対の第1膜補強部材と前記1対の第2膜補強部材とは、全体として前記高分子電解質膜の4辺に沿って前記第1主面と前記第2主面とに交互に存在するように延在しかつ前記高分子電解質膜の4隅の部分を挟むように配置されており、
前記第1膜補強部材及び前記第2膜補強部材は、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドからなる群より選択される少なくとも1種の合成樹脂を含んで構成されている、膜−膜補強部材接合体。 - 前記高分子電解質膜中に配置されておりイオン伝導パスとなる貫通孔を有する内部補強膜を更に具備している、請求項1に記載の膜−膜補強部材接合体。
- 請求項1又は2に記載の膜−膜補強部材接合体と、
前記膜−膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の前記第1主面のうちの前記第1膜補強部材が配置されてない領域の少なくとも一部に配置されている第1触媒層と、
前記膜−膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の前記第2主面のうちの前記第2膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に配置されている第2触媒層と、を有する、膜−触媒層接合体。 - 請求項3に記載の膜−触媒層接合体と、
前記膜−触媒層接合体の前記第1触媒層を被覆するように配置されている第1ガス拡散層と、
前記膜−触媒層接合体の前記第2触媒層を被覆するように配置されている第2ガス拡散層と、を有する、膜−電極接合体。 - 前記第1ガス拡散層は、前記第1触媒層と前記第1膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されており、
前記第2ガス拡散層は、前記第2触媒層と前記第2膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されている、請求項4に記載の膜−電極接合体。 - 請求項4又は5に記載の膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体の前記第1ガス拡散層が形成された主面の周縁部に該第1ガス拡散層を囲むように配置された額縁状の第1ガスケットと、一方の主面に一方の反応ガスの溝状の流路が形成され該一方の主面が前記膜−電極接合体の前記第1ガス拡散層と前記第1ガスケットとに接触するように配置された板状の第1セパレータと、前記膜−電極接合体の前記第2ガス拡散層が形成された主面の周縁部に該第2ガス拡散層を囲むように配置された額縁状の第2ガスケットと、一方の主面に他方の反応ガスの溝状の流路が形成され該一方の主面が前記膜−電極接合体の前記第2ガス拡散層と前記第2ガスケットとに接触するように配置された板状の第2セパレータと、を具備している、高分子電解質形燃料電池。
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