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JP2006339125A - Solid polymer fuel cell - Google Patents

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JP2006339125A
JP2006339125A JP2005166246A JP2005166246A JP2006339125A JP 2006339125 A JP2006339125 A JP 2006339125A JP 2005166246 A JP2005166246 A JP 2005166246A JP 2005166246 A JP2005166246 A JP 2005166246A JP 2006339125 A JP2006339125 A JP 2006339125A
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Japan
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catalyst layer
catalyst
polymer electrolyte
particles
solid polymer
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JP2005166246A
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Japanese (ja)
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Hiroyuki Tanaka
裕行 田中
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell with excellent durability through restraint of degradation of electrode catalyst in a catalyst layer. <P>SOLUTION: In the solid polymer fuel cell, a film electrode assembly made by arranging a pair of catalyst layers on either side of the solid polymer electrolyte film is pinched by a separator with a gas flow channel, and the catalyst layer contains an electrode catalyst with catalyst particles carried by a carbon carrier and a solid polymer electrolyte. At least either of the catalyst layers has an average particle size of its catalyst particles getting larger from an inlet side toward an outlet side of the gas flow channel. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、より詳細には、固体高分子型燃料電池の触媒層の改良技術に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a technique for improving a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.

近年、電源の一つとして燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素やメタノールなどの燃料の酸化により発電する装置をいう。燃料電池の発電効率は非常に高い。また、水素を燃料として用いる燃料電池からの排出物は水であり、地球環境保護の観点からも、非常に有用な電源である。   In recent years, fuel cells have attracted attention as one of power sources. A fuel cell refers to a device that generates electricity by oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol. The power generation efficiency of fuel cells is very high. Moreover, the discharge from the fuel cell using hydrogen as a fuel is water, which is a very useful power source from the viewpoint of protecting the global environment.

燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池など、各種燃料電池が提案されている。この中で、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動可能であることから、自動車等の移動体用動力源として期待され、開発が進められている。   Various fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell have been proposed as fuel cells. Among these, the polymer electrolyte fuel cell can be operated at a relatively low temperature, and thus is expected as a power source for moving bodies such as automobiles and is being developed.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池、PEFCとも呼ばれ、プロトン伝導性の固体高分子電解質を用いた燃料電池である。PEFCは、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両側に、発電反応を促進する電極触媒を含む一対の触媒層、すなわち酸化剤極触媒層および燃料極触媒層が形成された膜電極接合体を有する。さらに、触媒層の外側には、ガス拡散層およびセパレータなどが配置される。セパレータの触媒層側表面には、ガスが流通するガス流路が形成され、発電反応に用いられるガスはガス流路およびガス拡散層などを拡散して触媒層に供給される。また、発電反応に伴い生成した水は、ガス拡散層およびガス流路などを経て、PEFCの外部に排出される。   The polymer electrolyte fuel cell is also called a polymer electrolyte fuel cell or PEFC, and is a fuel cell using a proton conductive solid polymer electrolyte. The PEFC has a membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers including an electrode catalyst for promoting a power generation reaction, that is, an oxidant electrode catalyst layer and a fuel electrode catalyst layer, are formed on both sides of a proton conductive solid polymer electrolyte membrane. Have. Further, a gas diffusion layer and a separator are disposed outside the catalyst layer. A gas flow path through which gas flows is formed on the catalyst layer side surface of the separator, and the gas used for the power generation reaction diffuses through the gas flow path and the gas diffusion layer and is supplied to the catalyst layer. Moreover, the water produced | generated with the electric power generation reaction is discharged | emitted outside PEFC through a gas diffusion layer, a gas flow path, etc.

触媒層には、カーボン担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒の他に、プロトン伝導性の固体高分子電解質が含まれる。従来の触媒層では、固体高分子電解質がバインダーの役割を果たし、電極触媒の凝集体により空孔が形成された多孔質構造を有していた。特許文献1では、触媒粒子の利用率を向上させるため、触媒粒子を導電性担体に担持させる他、さらに固体高分子電解質中にも触媒粒子を含ませた電極触媒層が開示されている。   The catalyst layer contains a proton conductive solid polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a carbon support. The conventional catalyst layer has a porous structure in which a solid polymer electrolyte serves as a binder and pores are formed by an aggregate of electrode catalysts. In Patent Document 1, in order to improve the utilization rate of catalyst particles, an electrode catalyst layer is disclosed in which catalyst particles are supported on a conductive carrier, and further, catalyst particles are included in a solid polymer electrolyte.

かようなPEFCでは、以下のような発電反応が進行する。まず、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e)。次に、生成したプロトンは、燃料極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに燃料極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、酸化剤極触媒層に達する。また、燃料極触媒層で生成した電子は、燃料極触媒層を構成しているカーボン担体、さらに燃料極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通して酸化剤極触媒層に達する。そして、酸化剤極触媒層に達したプロトンおよび電子は酸化剤極側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO)。燃料電池では、上述した発電反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。
特開2003−31228号公報
In such a PEFC, the following power generation reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode side is oxidized by the catalyst particles to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e ). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the fuel electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in contact with the fuel electrode catalyst layer, and reach the oxidant electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the fuel electrode catalyst layer are the carbon carrier constituting the fuel electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the polymer electrolyte membrane of the fuel electrode catalyst layer, the separator, and the external circuit. To reach the oxidant electrode catalyst layer. The protons and electrons that have reached the oxidant electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the oxidant electrode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O). In the fuel cell, electricity can be taken out through the power generation reaction described above.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-3228

固体高分子型燃料電池では、コストとともに電池の寿命が問題となっている。電池の寿命としては、自動車で5000時間、家庭用では4万時間ともいわれ、長期にわたって高い発電性能を維持することが求められている。しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池では、触媒層における電極触媒の劣化により発電性能が低下することに起因して、十分な耐久性がえられていない問題があった。   In the polymer electrolyte fuel cell, the life of the battery is a problem along with the cost. The battery life is said to be 5000 hours for automobiles and 40,000 hours for home use, and it is required to maintain high power generation performance over a long period of time. However, the conventional polymer electrolyte fuel cell has a problem that sufficient durability is not obtained due to a decrease in power generation performance due to deterioration of the electrode catalyst in the catalyst layer.

電極触媒層における電極触媒の劣化は、電極触媒層において含水量が多く、かつ、低負荷運転時に高電位状態に晒される部位において特に生じやすい。かような部位では、触媒粒子の溶出により電極触媒の触媒活性が低下する他、カーボン担体の腐食消失によって触媒粒子の遊離凝集が生じて電極触媒の触媒活性が低下する。   Deterioration of the electrode catalyst in the electrode catalyst layer is particularly likely to occur at a portion where the electrode catalyst layer has a high water content and is exposed to a high potential state during low load operation. In such a part, the catalyst activity of the electrode catalyst is reduced due to the elution of the catalyst particles, and the catalyst activity of the electrode catalyst is reduced due to free aggregation of the catalyst particles due to the disappearance of the corrosion of the carbon support.

電極触媒層において、特定の部位で電極触媒の劣化が生じると、他の部位で電極触媒の劣化が生じなくとも、電池全体の発電性能が低下する傾向がある。   In the electrode catalyst layer, when the electrode catalyst deteriorates at a specific portion, the power generation performance of the entire battery tends to be lowered even if the electrode catalyst does not deteriorate at other portions.

さらに、特許文献1記載の固体高分子型燃料電池では、触媒層において固体高分子電解質中にも触媒粒子が分散されているが、前記触媒粒子の粒子径は触媒利用率を向上させるために微細なもの、具体的には平均粒子径が1〜3nmのものが用いられている。しかしながら、かような微細な触媒粒子は電極触媒層の上述した特定の部位で特に溶出し易く、固体高分子電解質中に含まれることで溶出した触媒粒子成分が固体高分子電解質膜中に移動し易くなり、触媒活性の低下だけでなく、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を低下させる問題もあり、固体高分子型燃料電池の耐久性をさらに低下させる恐れがある。従って、特許文献1記載の固体高分子型燃料電池では、触媒層において上述した電極触媒の劣化の他に、さらに、固体高分子電解質中に含まれる微細な触媒粒子による固体高分子電解質膜のプロトン伝導性の低下を招く恐れがある。   Further, in the polymer electrolyte fuel cell described in Patent Document 1, the catalyst particles are dispersed in the solid polymer electrolyte in the catalyst layer. The particle diameter of the catalyst particles is fine in order to improve the catalyst utilization rate. In particular, those having an average particle diameter of 1 to 3 nm are used. However, such fine catalyst particles are particularly easy to elute at the above-mentioned specific portion of the electrode catalyst layer, and the catalyst particle components eluted by moving into the solid polymer electrolyte move into the solid polymer electrolyte membrane. There is a problem that not only the catalytic activity is lowered but also the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is lowered, which may further reduce the durability of the solid polymer fuel cell. Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell described in Patent Document 1, in addition to the above-described deterioration of the electrode catalyst in the catalyst layer, the protons of the polymer electrolyte membrane are further formed by fine catalyst particles contained in the polymer electrolyte. There is a risk of reducing conductivity.

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、触媒層における電極触媒の劣化を抑制することにより、耐久性に優れる固体高分子型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 circumstances, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability by suppressing deterioration of an electrode catalyst in a catalyst layer.

電極触媒層における電極触媒の劣化を抑制するためには、電極触媒層の特定の部位における、カーボン担体の腐食または触媒粒子の溶出、を抑制するのがよいことを見出した。かような知見に基づいて、本発明を完成するに至った。すなわち、上記目的は、下記(1)および(2)に記載の固体高分子型燃料電池によって達成される。   In order to suppress the deterioration of the electrode catalyst in the electrode catalyst layer, it has been found that the corrosion of the carbon support or the elution of the catalyst particles in a specific part of the electrode catalyst layer should be suppressed. Based on such knowledge, the present invention has been completed. That is, the above object is achieved by the polymer electrolyte fuel cell described in (1) and (2) below.

(1)固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質と、を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記触媒粒子の平均粒子径が大きくなる固体高分子型燃料電池。
(1) A membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers is disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by a separator having a gas flow path,
The catalyst layer is a solid polymer fuel cell comprising an electrode catalyst having catalyst particles supported on a carbon support, and a solid polymer electrolyte,
At least one of the catalyst layers is a polymer electrolyte fuel cell in which the average particle diameter of the catalyst particles increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path.

(2)固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質と、を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記カーボン担体の結晶性が高くなる固体高分子型燃料電池。
(2) A membrane / electrode assembly in which a pair of catalyst layers are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by a separator having a gas flow path,
The catalyst layer is a solid polymer fuel cell comprising an electrode catalyst having catalyst particles supported on a carbon support, and a solid polymer electrolyte,
At least one of the catalyst layers is a polymer electrolyte fuel cell in which the crystallinity of the carbon support increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path.

本発明によれば、耐久性に優れる固体高分子型燃料電池を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability.

本発明の第一は、固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質と、を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記触媒粒子の平均粒子径が大きくなる固体高分子型燃料電池である。
The first of the present invention is a membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and is sandwiched by a separator having a gas flow path,
The catalyst layer is a solid polymer fuel cell comprising an electrode catalyst having catalyst particles supported on a carbon support, and a solid polymer electrolyte,
At least one of the catalyst layers is a polymer electrolyte fuel cell in which the average particle diameter of the catalyst particles increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path.

まず、本発明の固体高分子型燃料電池(単に「PEFC」とも記載する)を図1を用いて説明する。図1は、本発明の固体高分子型燃料電池150の断面模式図である。   First, a polymer electrolyte fuel cell (also simply referred to as “PEFC”) of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell 150 of the present invention.

図1に示す固体高分子型燃料電池150は、固体高分子電解質膜110の両側を一対の電極触媒層、すなわち、燃料極触媒層120aおよび酸化剤極触媒層120cが配置されてなる膜電極接合体100が、さらに二枚のセパレータ140a、140cで挟持された構造を有する。セパレータ140a、140cは、水素を含む燃料ガスまたは酸素を含む酸化剤ガスなどの外部から供給されるガスを触媒層120a、120cに供給させるためのガス流路141を有する。   A polymer electrolyte fuel cell 150 shown in FIG. 1 is a membrane electrode junction in which a pair of electrode catalyst layers, that is, a fuel electrode catalyst layer 120a and an oxidant electrode catalyst layer 120c are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 110. The body 100 has a structure further sandwiched between two separators 140a and 140c. Separator 140a, 140c has gas channel 141 for supplying gas supplied from the outside, such as fuel gas containing hydrogen or oxidant gas containing oxygen, to catalyst layers 120a, 120c.

なお、本願において「膜電極接合体」とは、固体高分子電解質膜、固体高分子電解質膜を挟持する1対の触媒層と、を少なくとも有する積層体を意味する。   In the present application, the “membrane electrode assembly” means a laminate having at least a solid polymer electrolyte membrane and a pair of catalyst layers sandwiching the solid polymer electrolyte membrane.

電極触媒層において、電極触媒の劣化の要因の一つである触媒粒子の溶出が生じやすい部位は、水分が多く、かつ、低負荷運転時に高電位状態に晒される部位となり易い。これは下記のメカニズムにより生じると考えられる。ここで、低負荷運転時とは、具体的には、燃料ガス、酸化剤ガスを供給した際の無負荷の状態及び、自動車のアイドリングの状態が挙げられる。   In the electrode catalyst layer, the portion where the elution of the catalyst particles, which is one of the causes of deterioration of the electrode catalyst, is likely to be a portion where there is a lot of moisture and is exposed to a high potential state during low load operation. This is considered to be caused by the following mechanism. Here, the low load operation specifically includes a no-load state when fuel gas and oxidant gas are supplied, and an idling state of an automobile.

電極反応により生成した水分、および、セパレータに設けられたガス流路を通じて供給されたガスに含まれる水分は、触媒層において停留しやすく、触媒層においてガス流路の入口側から出口側に向かって停留する水分量が多くなる。触媒粒子の溶解は、水分の多い箇所で起こり易く、乾燥している箇所では殆ど起こらない。さらに、かような触媒粒子の溶解は、高電位状態(セル電圧0.8V以上)となる部位でさらに促進される。このため、燃料電池の耐久性の低下の要因となる触媒粒子の溶解は、ガス流路の入口側から出口側に向かうにつれて著しく生じる傾向がある。触媒層においてガス流路の入口側の触媒粒子の溶解が少なくても、出口側の触媒粒子の溶解が大きいことに起因して、電池全体の発電性能が低下する傾向がある。   The moisture generated by the electrode reaction and the moisture contained in the gas supplied through the gas flow path provided in the separator are likely to stay in the catalyst layer, and in the catalyst layer from the inlet side to the outlet side of the gas flow path. The amount of water to be retained increases. The dissolution of the catalyst particles is likely to occur at a location with a lot of moisture, and hardly occurs at a location where it is dry. Further, such dissolution of the catalyst particles is further promoted at a portion where the high potential state (cell voltage of 0.8 V or more) is obtained. For this reason, the dissolution of the catalyst particles that causes a decrease in the durability of the fuel cell tends to occur remarkably as it goes from the inlet side to the outlet side of the gas flow path. Even if there is little dissolution of the catalyst particles on the inlet side of the gas flow path in the catalyst layer, the power generation performance of the entire battery tends to decrease due to the large dissolution of the catalyst particles on the outlet side.

また、粒子径の小さい触媒粒子は、比表面積が大きく高い触媒活性が得られるのに対して、粒子径の大きい触媒粒子は耐溶解性に優れる。触媒層において、触媒粒子の溶解が生じ難い部位に粒子径の小さい触媒粒子を配置するとともに、触媒粒子の溶解が生じ易い部位に粒子径の大きい触媒粒子を配置することにより、高い触媒活性を維持しつつ、触媒層における粒子径の大きい触媒粒子を効率的に抑制することができるのである。   In addition, catalyst particles having a small particle size have a large specific surface area and high catalytic activity, whereas catalyst particles having a large particle size are excellent in dissolution resistance. In the catalyst layer, high catalyst activity is maintained by disposing catalyst particles with small particle diameters in areas where catalyst particles are unlikely to dissolve and disposing catalyst particles with large particle diameters in areas where catalyst particles are likely to dissolve. However, catalyst particles having a large particle diameter in the catalyst layer can be efficiently suppressed.

このように、本発明の固体高分子型燃料電池では、触媒粒子の粒子径を触媒層において所定の方向に向かって大きくすることにより、触媒層における触媒活性の確保と同時に、触媒粒子の溶出を抑制することが可能となる。従って、本発明によれば、高い発電性能を長期にわたって維持することができる固体高分子型燃料電池を提供することができる。   Thus, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, by increasing the particle diameter of the catalyst particles in a predetermined direction in the catalyst layer, the catalyst activity in the catalyst layer is ensured and at the same time the catalyst particles are eluted. It becomes possible to suppress. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining high power generation performance over a long period of time.

続いて、本発明のPEFCにおける触媒層が有する構成について説明する。   Then, the structure which the catalyst layer in PEFC of this invention has is demonstrated.

本発明では、燃料極側および酸化剤極側のうち少なくとも一方に配置される触媒層において、セパレータが有するガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって、触媒粒子の平均粒子径を大きくする。   In the present invention, in the catalyst layer disposed on at least one of the fuel electrode side and the oxidant electrode side, the average particle diameter of the catalyst particles is increased from the gas inlet side to the outlet side of the gas supply path of the separator. To do.

本発明では、前記触媒層においてセパレータのガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって、触媒粒子の平均粒子径を大きくするが、さらに、触媒層においてセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって触媒粒子の平均粒子径を大きくするのが好ましい。これにより、触媒層の触媒粒子の溶解が生じ易い部位に耐溶解性の高い触媒粒子を配置することができ、よりPEFCの耐久性を向上させることができる。   In the present invention, in the catalyst layer, the average particle diameter of the catalyst particles is increased from the gas inlet side to the outlet side of the gas supply path of the separator. Further, in the catalyst layer, from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side It is preferable to increase the average particle diameter of the catalyst particles toward. As a result, catalyst particles having high dissolution resistance can be disposed in the catalyst layer where the catalyst particles are likely to be dissolved, and the durability of the PEFC can be further improved.

このとき、触媒粒子の平均粒子径は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に大きくなってもよく、漸増してもよい。なかでも、触媒層の製造、触媒層における触媒粒子の平均粒子径の制御などが容易であることから、触媒粒子の平均粒子径は、段階的に大きくなるのがよい。   At this time, the average particle diameter of the catalyst particles gradually increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the catalyst layer, more preferably from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side. Or may be gradually increased. Among these, since the production of the catalyst layer and the control of the average particle diameter of the catalyst particles in the catalyst layer are easy, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably increased stepwise.

触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって触媒粒子の平均粒子径が大きくなる構成を有する触媒層として、好ましい一実施形態としては、例えば、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層を二以上の領域にわける図2に示す構成が挙げられる。図2は、触媒層120の模式図であり、膜電極接合体の面方向(矢印A)に向かって、触媒層を二つの領域、すなわち入口側触媒層120iと出口側触媒層120eに別け、入口側触媒層120iと出口側触媒層120eに、それぞれ所定の平均粒子径を有する触媒粒子を含有させればよい。そして、固体高分子型燃料電池を組立てる際に、入口側触媒層120iをセパレータが有するガス流路の入口側に配置し、出口側触媒層120eをセパレータが有する出口側に配置すればよい。   As a preferred embodiment of the catalyst layer having a configuration in which the average particle diameter of the catalyst particles increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the catalyst layer, for example, in the surface direction of the membrane electrode assembly, The structure shown in FIG. 2 in which the catalyst layer is divided into two or more regions is exemplified. FIG. 2 is a schematic diagram of the catalyst layer 120. The catalyst layer is divided into two regions, that is, an inlet-side catalyst layer 120i and an outlet-side catalyst layer 120e, in the surface direction (arrow A) of the membrane electrode assembly. The inlet side catalyst layer 120i and the outlet side catalyst layer 120e may contain catalyst particles each having a predetermined average particle diameter. Then, when assembling the polymer electrolyte fuel cell, the inlet side catalyst layer 120i may be arranged on the inlet side of the gas flow path of the separator, and the outlet side catalyst layer 120e may be arranged on the outlet side of the separator.

前記触媒層が入口側触媒層および出口側触媒層の二層からなるとき、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは0.1〜4nm、より好ましくは0.1〜2nmとするのがよい。   When the catalyst layer is composed of two layers of an inlet side catalyst layer and an outlet side catalyst layer, the difference in the average particle diameter of the catalyst particles from the adjacent layer is preferably 0.1 to 4 nm, more preferably 0.1 to 4 nm. It should be 2 nm.

各層における触媒粒子の平均粒子径として、具体的には、前記入口側触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは2〜5nm、より好ましくは2〜3.5nmとするのがよい。   As the average particle diameter of the catalyst particles in each layer, specifically, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the inlet side catalyst layer is preferably 2 to 5 nm, more preferably 2 to 3.5 nm. .

また、前記出口側触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは3〜6nm、より好ましくは3〜5.5nmとするのがよい。   Moreover, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the outlet side catalyst layer is preferably 3 to 6 nm, more preferably 3 to 5.5 nm.

前記触媒層において入口側触媒層および出口側触媒層との範囲は、得られる固体高分子型燃料電池の耐久性を考慮して決定すればよい。前記出口側触媒層は、前記触媒層の全体に対して、好ましくは30〜60体積%、より好ましくは40〜50体積%とするのがよい。これにより、触媒粒子の溶解による電極触媒の劣化が生じ易い部位に耐溶解性の高い触媒粒子を含有させることができる。   The ranges of the inlet side catalyst layer and the outlet side catalyst layer in the catalyst layer may be determined in consideration of the durability of the obtained polymer electrolyte fuel cell. The outlet catalyst layer is preferably 30 to 60% by volume, more preferably 40 to 50% by volume, based on the entire catalyst layer. Thereby, catalyst particles having high dissolution resistance can be contained in a portion where the electrode catalyst is likely to deteriorate due to dissolution of the catalyst particles.

上記では、触媒層を膜電極接合体の面方向に向かって二つの領域に分割したが、これに限定されず、さらに触媒層を膜電極接合体の面方向に向かって三つ以上の領域に分割してもよい。   In the above, the catalyst layer is divided into two regions in the surface direction of the membrane electrode assembly. However, the present invention is not limited to this, and the catalyst layer is further divided into three or more regions in the surface direction of the membrane electrode assembly. It may be divided.

前記ガス流路の入口側から出口側に向かう他、さらに、セパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、触媒粒子の平均粒子径が大きくなる構成を有する触媒層の好ましい一実施形態としては、触媒層を、膜電極接合体の厚さ方向に向かって二以上の領域にわけ、さらに膜電極接合体の面方向に向かって二以上の領域にわけ、各領域に所定の平均粒子径を有する触媒粒子を含ませる構成が挙げられる。   As a preferred embodiment of the catalyst layer having a configuration in which the average particle diameter of the catalyst particles is increased from the inlet side to the outlet side of the gas flow path, and further from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side. The catalyst layer is divided into two or more regions in the thickness direction of the membrane electrode assembly, and further divided into two or more regions in the surface direction of the membrane electrode assembly, and each region has a predetermined average particle diameter. The structure which contains the catalyst particle which has is mentioned.

具体的には、触媒層(1)と触媒層(2)とが、前記触媒層(1)が前記固体高分子電解質膜側に配置されるように、前記膜電極接合体の厚さ方向に積層されてなり、前記触媒層(1)は、入口側触媒層(1−1)と出口側触媒層(1−2)とが前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、前記触媒層(2)は、入口側触媒層(2−1)と出口側触媒層(2−2)とが前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、各触媒層に所定の平均粒子径を有する触媒粒子を含ませる構成が挙げられる。より具体的には、図3に示す触媒層120が挙げられ、触媒層120は、入口側触媒層(1−1)121iおよび入口側触媒層(2−1)122iと、出口側触媒層(1−2)121eおよび出口側触媒層(2−2)122eとを有し、各触媒層に所定の平均粒子径を有する触媒粒子が含有される。   Specifically, the catalyst layer (1) and the catalyst layer (2) are arranged in the thickness direction of the membrane electrode assembly such that the catalyst layer (1) is disposed on the solid polymer electrolyte membrane side. The catalyst layer (1) is formed by arranging an inlet side catalyst layer (1-1) and an outlet side catalyst layer (1-2) in the surface direction of the membrane electrode assembly, In the layer (2), an inlet side catalyst layer (2-1) and an outlet side catalyst layer (2-2) are arranged in the surface direction of the membrane electrode assembly, and each catalyst layer has a predetermined average particle diameter. The structure which contains the catalyst particle which has this is mentioned. More specifically, the catalyst layer 120 shown in FIG. 3 is mentioned. The catalyst layer 120 includes an inlet side catalyst layer (1-1) 121i, an inlet side catalyst layer (2-1) 122i, and an outlet side catalyst layer ( 1-2) 121e and outlet side catalyst layer (2-2) 122e, and each catalyst layer contains catalyst particles having a predetermined average particle diameter.

また、前記触媒層120を用いて固体高分子型燃料電池とした際に、触媒層(1)がセパレータ側に配置され、触媒層(2)が固体高分子電解質膜側に配置され、入口側触媒層(1−1)および入口側触媒層(2−1)がセパレータが有するガス流路の入口側に配置され、出口側触媒層(1−2)および出口側触媒層(2−2)がセパレータを有するガス流路の出口側に配置される。   Further, when the polymer layer 120 is used as the solid polymer fuel cell, the catalyst layer (1) is disposed on the separator side, the catalyst layer (2) is disposed on the solid polymer electrolyte membrane side, and the inlet side The catalyst layer (1-1) and the inlet side catalyst layer (2-1) are arranged on the inlet side of the gas flow path of the separator, and the outlet side catalyst layer (1-2) and the outlet side catalyst layer (2-2). Is disposed on the outlet side of the gas flow path having the separator.

前記触媒層(1)が入口側触媒層(1−1)および出口側触媒層(1−2)の少なくとも二層からなるとき、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは0.1〜3.0nm、より好ましくは0.1〜2.0nmとするのがよい。   When the catalyst layer (1) is composed of at least two layers of the inlet side catalyst layer (1-1) and the outlet side catalyst layer (1-2), the difference in the average particle diameter of the catalyst particles from the adjacent layer is preferably Is 0.1 to 3.0 nm, more preferably 0.1 to 2.0 nm.

また、前記触媒層(2)が入口側触媒層(2−1)および出口側触媒層(2−2)の少なくとも二層からなるとき、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは0.1〜3.0nm、より好ましくは0.1〜2.0nmとするのがよい。   Further, when the catalyst layer (2) is composed of at least two layers of the inlet side catalyst layer (2-1) and the outlet side catalyst layer (2-2), the difference in the average particle diameter of the catalyst particles from the adjacent layers is The thickness is preferably 0.1 to 3.0 nm, more preferably 0.1 to 2.0 nm.

各層における触媒粒子の平均粒子径として、具体的には、前記入口側触媒層(2−1)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは2〜4nm、より好ましくは2〜3nmとし、前記出口側触媒層(2−2)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは2.5〜5nm、より好ましくは2.5〜4nmとするのがよい。   As the average particle diameter of the catalyst particles in each layer, specifically, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the inlet catalyst layer (2-1) is preferably 2 to 4 nm, more preferably 2 to 3 nm. The average particle diameter of the catalyst particles contained in the outlet side catalyst layer (2-2) is preferably 2.5 to 5 nm, more preferably 2.5 to 4 nm.

また、前記入口側触媒層(1−1)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは2.5〜5nm、より好ましくは2.5〜4nmとし、前記出口側触媒層(1−2)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは4〜6nm、より好ましくは4〜5nmとするのがよい。   The average particle diameter of the catalyst particles contained in the inlet side catalyst layer (1-1) is preferably 2.5 to 5 nm, more preferably 2.5 to 4 nm, and the outlet side catalyst layer (1- The average particle diameter of the catalyst particles contained in 2) is preferably 4 to 6 nm, more preferably 4 to 5 nm.

このとき、前記触媒粒子の平均粒子径は、前記触媒粒子の平均粒子径は、前記入口側触媒層(1−1)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が大きく、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記出口側触媒層(2−2)の方が大きく、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記入口側触媒層(1−1)の方が大きく、前記出口側触媒層(2−2)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が大きくなるようにするのがよい。   At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is larger in the outlet side catalyst layer (1-2) than in the inlet side catalyst layer (1-1). The outlet side catalyst layer (2-2) is larger than the side catalyst layer (2-1), and the inlet side catalyst layer (1-1) is larger than the inlet side catalyst layer (2-1). It is preferable that the outlet side catalyst layer (1-2) is larger than the outlet side catalyst layer (2-2).

なお、触媒層における触媒粒子の平均粒子径は、触媒担持カーボンのTEM写真からの計測及びXRD測定により測定できる。   The average particle diameter of the catalyst particles in the catalyst layer can be measured by measurement from a TEM photograph of the catalyst-supporting carbon and XRD measurement.

触媒層(1)における入口側触媒層(1−1)と出口側触媒層(1−2)との範囲、触媒層(2)における入口側触媒層(2−1)と出口側触媒層(2−2)との範囲は得られる固体高分子型燃料電池の耐久性を考慮して決定すればよい。   The range of the inlet side catalyst layer (1-1) and the outlet side catalyst layer (1-2) in the catalyst layer (1), the inlet side catalyst layer (2-1) and the outlet side catalyst layer ( The range 2-2) may be determined in consideration of the durability of the obtained polymer electrolyte fuel cell.

入口側触媒層(2−1)は、触媒層(2)の全体に対して、好ましくは30〜60体積%、より好ましくは40〜50体積%とするのがよい。   The inlet catalyst layer (2-1) is preferably 30 to 60% by volume, more preferably 40 to 50% by volume, based on the entire catalyst layer (2).

また、入口側触媒層(1−1)は、触媒層(1)の全体に対して、好ましくは30〜60体積%、より好ましくは40〜50体積%とするのがよい。   The inlet catalyst layer (1-1) is preferably 30 to 60% by volume, more preferably 40 to 50% by volume, based on the entire catalyst layer (1).

触媒層の総膜厚は、好ましくは25μm以下である。触媒層全体の厚さが薄すぎると、電極反応に必要な触媒量を十分に確保できなくなる虞、および、電池性能や寿命特性が低下する虞がある。一方、触媒層の厚さが厚すぎると、発電性能が低下する虞がある。したがって、電池性能や寿命特性を考慮して、触媒層の厚みが決定されるべきである。   The total film thickness of the catalyst layer is preferably 25 μm or less. If the thickness of the entire catalyst layer is too thin, it may not be possible to secure a sufficient amount of catalyst necessary for the electrode reaction, and battery performance and life characteristics may be deteriorated. On the other hand, if the thickness of the catalyst layer is too thick, the power generation performance may be reduced. Therefore, the thickness of the catalyst layer should be determined in consideration of battery performance and life characteristics.

また、触媒層が、触媒層(1)と触媒層(2)とが積層されてなる場合、前記触媒層(2)の厚さは、好ましくは4〜15μm、より好ましくは6〜10μmである。また、前記触媒層(1)の厚さは、好ましくは2〜7μm、より好ましくは2〜5μmである。   When the catalyst layer is formed by laminating the catalyst layer (1) and the catalyst layer (2), the thickness of the catalyst layer (2) is preferably 4 to 15 μm, more preferably 6 to 10 μm. . The thickness of the catalyst layer (1) is preferably 2 to 7 μm, more preferably 2 to 5 μm.

また、上記では、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層(1)および(2)を二つの領域に分割したが、さらに、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層(1)および/または(2)を3つ以上の領域に分割してもよい。この場合、入口側触媒層(1−1、2−1)および出口側触媒層(1−2、2−2)の間に他の層が配置されればよく、入口側触媒層(1−1、2−1)から出口側触媒層(1−2、2−2)に向かって触媒粒子の平均粒子径が大きくなるようにすればよい。   In the above description, the catalyst layers (1) and (2) are divided into two regions toward the surface direction of the membrane electrode assembly. However, the catalyst layer (1) is further directed toward the surface direction of the membrane electrode assembly. And / or (2) may be divided into three or more regions. In this case, another layer may be disposed between the inlet side catalyst layer (1-1, 2-1) and the outlet side catalyst layer (1-2, 2-2). The average particle diameter of the catalyst particles may be increased from 1, 2) toward the outlet catalyst layer (1-2, 2-2).

本発明において、上述した触媒層において、電極触媒における触媒粒子として白金粒子および白金合金粒子を用い、セパレータが有するガス流路の入口側から出口側にむかって、前記白金合金粒子の含有率が高くなる構成をさらに有するのが好ましい。   In the present invention, in the catalyst layer described above, platinum particles and platinum alloy particles are used as catalyst particles in the electrode catalyst, and the content rate of the platinum alloy particles is high from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the separator. It is preferable to further include the following structure.

白金合金粒子は、触媒活性が白金の時と同様もしくはそれ以上となることが期待され、かつ、触媒粒子の耐溶解性に優れる。前記構成を有する触媒層によれば、触媒粒子径を所定の値に調整するとともに触媒粒子における白金合金粒子の含有率をさらに調整することで、触媒粒子の溶解が生じ難い部位に白金粒子を配置するとともに、触媒粒子の溶解が生じ易い部位に白金合金粒子を配置することができ、高い触媒活性を維持しつつ触媒粒子の溶解をより高く抑制することが可能となる。よって、より高い発電性能を長期にわたって維持することができる固体高分子型燃料電池を提供することができる。   The platinum alloy particles are expected to have a catalytic activity that is the same as or higher than that of platinum, and are excellent in the solubility resistance of the catalyst particles. According to the catalyst layer having the above-described configuration, the platinum particles are arranged at a site where the catalyst particles are hardly dissolved by adjusting the catalyst particle diameter to a predetermined value and further adjusting the content of the platinum alloy particles in the catalyst particles. In addition, the platinum alloy particles can be disposed at a site where the catalyst particles are likely to be dissolved, and the dissolution of the catalyst particles can be further suppressed while maintaining high catalyst activity. Therefore, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that can maintain higher power generation performance over a long period of time.

本発明では、前記触媒層においてセパレータのガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって白金合金粒子の含有率を高くするのが好ましいが、さらに、触媒層においてセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって触媒粒子中の白金合金粒子の含有率を高くするのが好ましい。これにより、触媒層の触媒粒子の溶解が生じ易い部位に耐溶解性の高い白金合金粒子を配置することができ、PEFCの耐久性をさらに向上させることができる。   In the present invention, it is preferable to increase the content of platinum alloy particles from the gas inlet side to the outlet side of the gas supply path of the separator in the catalyst layer. It is preferable to increase the content of platinum alloy particles in the catalyst particles toward the membrane side. As a result, platinum alloy particles having high dissolution resistance can be disposed in the catalyst layer where the catalyst particles are likely to be dissolved, and the durability of the PEFC can be further improved.

このとき、白金合金粒子の含有率は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に大きくなってもよく、漸増してもよい。なかでも、触媒層の製造、触媒層における白金合金粒子の含有率の制御などが容易であることから、白金合金粒子の含有率は、段階的に大きくなるのがよい。   At this time, the content rate of the platinum alloy particles gradually increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the catalyst layer, more preferably from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side. Or may be gradually increased. Among these, since the production of the catalyst layer and the control of the content ratio of the platinum alloy particles in the catalyst layer are easy, the content ratio of the platinum alloy particles should be increased stepwise.

図2に示す触媒層のように、触媒層が入口側触媒層および出口側触媒層の二層からなるとき、各層における白金合金粒子の含有率として、具体的には、前記入口側触媒層に含まれる触媒粒子中の白金合金粒子の含有率を、好ましくは0〜50質量%、より好ましくは0〜40質量%とするのがよい。   When the catalyst layer is composed of two layers of the inlet side catalyst layer and the outlet side catalyst layer as in the catalyst layer shown in FIG. 2, the content of platinum alloy particles in each layer, specifically, in the inlet side catalyst layer, The content of platinum alloy particles in the contained catalyst particles is preferably 0 to 50% by mass, more preferably 0 to 40% by mass.

また、前記出口側触媒層に含まれる触媒粒子中の白金合金粒子の含有率を、好ましくは10〜100質量%、より好ましくは20〜100質量%とするのがよい。   Moreover, the content rate of the platinum alloy particles in the catalyst particles contained in the outlet side catalyst layer is preferably 10 to 100% by mass, more preferably 20 to 100% by mass.

また、図3に示す触媒層のように、触媒層が、入口側触媒層(1−1)、出口側触媒層(1−2)、入口側触媒層(2−1)、および出口側触媒層(2−2)を有する場合、各層における触媒粒子中の白金合金粒子の含有率として、具体的には、前記入口側触媒層(2−1)に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは20質量%未満、より好ましくは0〜10質量%とし、前記出口側触媒層(2−2)に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは10〜50質量%、より好ましくは20〜40質量%とするのがよい。   Moreover, like the catalyst layer shown in FIG. 3, the catalyst layer is composed of an inlet side catalyst layer (1-1), an outlet side catalyst layer (1-2), an inlet side catalyst layer (2-1), and an outlet side catalyst. When it has a layer (2-2), as the content rate of the platinum alloy particles in the catalyst particles in each layer, specifically, the platinum alloy in the catalyst particles contained in the inlet side catalyst layer (2-1) The content rate of the particles is preferably less than 20% by mass, more preferably 0 to 10% by mass, and the content rate of the platinum alloy particles in the catalyst particles included in the exit side catalyst layer (2-2), Preferably it is 10-50 mass%, More preferably, you may be 20-40 mass%.

また、前記入口側触媒層(1−1)に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは10〜50質量%、より好ましくは20〜40質量%とし、前記出口側触媒層(1−2)に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは30〜100質量%、より好ましくは60〜100質量%とするのがよい。   The content of the platinum alloy particles in the catalyst particles contained in the inlet catalyst layer (1-1) is preferably 10 to 50% by mass, more preferably 20 to 40% by mass, and the outlet side The content of the platinum alloy particles in the catalyst particles contained in the catalyst layer (1-2) is preferably 30 to 100% by mass, more preferably 60 to 100% by mass.

このとき、前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記出口側触媒層(2−2)の方が高く、前記入口側触媒層(1−1)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が高く、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記入口側触媒層(1−1)の方が高く、前記出口側触媒層(2−2)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が高くするのがよい。   At this time, the content rate of the platinum alloy particles in the catalyst particles is higher in the outlet side catalyst layer (2-2) than in the inlet side catalyst layer (2-1), and the inlet side catalyst layer ( 1-1) higher than the outlet side catalyst layer (1-2), higher than the inlet side catalyst layer (2-1) than the inlet side catalyst layer (2-1), The outlet catalyst layer (1-2) is preferably higher than the side catalyst layer (2-2).

なお、触媒層における触媒粒子中の白金合金粒子の含有率は、各触媒層を形成する際に調製する触媒層インク内へのPt担持カーボンとPt合金担持カーボンの添加量を秤量し、そこから計算して求める。   The content of platinum alloy particles in the catalyst particles in the catalyst layer is determined by weighing the amounts of Pt-supported carbon and Pt alloy-supported carbon added to the catalyst layer ink prepared when each catalyst layer is formed. Calculate to find.

本発明では、触媒層において所定の方向に向かって、触媒粒子の平均粒子径が大きくなり、より好ましくは触媒粒子中の白金合金粒子の含有率が高くなる構成を有するが、さらに好ましくは、触媒層における所定の方向に向かって白金合金粒子中の白金の質量比が小さくなる。   In the present invention, the catalyst layer has a configuration in which the average particle diameter of the catalyst particles increases toward a predetermined direction, more preferably the content of platinum alloy particles in the catalyst particles increases. The mass ratio of platinum in the platinum alloy particles decreases toward a predetermined direction in the layer.

具体的には、前記触媒層が、さらに、セパレータが有するガス流路の入口側から出口側に向かって、前記白金合金粒子における白金の質量比が小さくなる構成を有するのが好ましく、さらに前記触媒層においてセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって前記白金合金粒子における白金の質量比が小さくなるのが好ましい。   Specifically, it is preferable that the catalyst layer further has a configuration in which the mass ratio of platinum in the platinum alloy particles decreases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the separator. In the layer, it is preferable that the mass ratio of platinum in the platinum alloy particles decreases from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side.

上述の通り、白金合金粒子は耐溶解性に優れるが、かような耐溶解性は白金合金粒子中の白金の含有量が小さくなるほど高くなる。従って、触媒層において白金合金粒子に含まれる白金の質量比を上記の通りに調整することにより、触媒層における触媒粒子の溶解をより高く抑制することができ、得られる固体高分子型燃料電池の耐久性をさらに向上させることが可能となる。   As described above, the platinum alloy particles are excellent in dissolution resistance, but such dissolution resistance increases as the platinum content in the platinum alloy particles decreases. Therefore, by adjusting the mass ratio of platinum contained in the platinum alloy particles in the catalyst layer as described above, the dissolution of the catalyst particles in the catalyst layer can be further suppressed, and the resulting polymer electrolyte fuel cell The durability can be further improved.

このとき、白金合金粒子中の白金の質量比は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に小さくなってもよく、漸減してもよい。   At this time, the mass ratio of platinum in the platinum alloy particles is stepwise from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the catalyst layer, more preferably from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side. It may be smaller or gradually decreased.

本発明の固体高分子型燃料電池において、電極触媒における触媒粒子の平均粒子径を、セパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって高くし、さらに好ましくは触媒粒子における白金合金粒子の含有率がガス流路の入口側から出口側に向かって高くなる構成を有する上述した触媒層は、燃料極触媒層および酸化剤極触媒層のうち少なくとも一方に用いられればよい。なかでも、水分の停留が生じて触媒粒子の溶解が生じ易い酸化剤極触媒層に用いられるのが好ましく、より好ましくは燃料極触媒層および酸化剤極触媒層の双方に用いられるのがよい。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the average particle diameter of the catalyst particles in the electrode catalyst is increased from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the separator, and more preferably the platinum particles are contained in the catalyst particles. The above-described catalyst layer having a configuration in which the rate increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path may be used for at least one of the fuel electrode catalyst layer and the oxidant electrode catalyst layer. Especially, it is preferable to use for both the fuel electrode catalyst layer and the oxidant electrode catalyst layer, more preferably the oxidant electrode catalyst layer in which moisture retention occurs and the catalyst particles are easily dissolved.

本発明のPEFCは、触媒層における触媒粒子の平均粒子径が所定の方向に向かって大きくなる構成を有する点を除いては、従来のPEFCにおいて用いられていた材料が、同様に用いられうる。以下に、固体高分子電解質膜、触媒層などの基本構成について、簡単に説明するが、例示する材料や形状に、これらの材料が限定されるわけではなく、従来公知のものが適宜用いられる。   For the PEFC of the present invention, materials used in the conventional PEFC can be similarly used except that the average particle size of the catalyst particles in the catalyst layer increases in a predetermined direction. Hereinafter, the basic configuration of the solid polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the like will be briefly described. However, these materials are not limited to the exemplified materials and shapes, and conventionally known materials are appropriately used.

固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜としては各種の材料が提案されている。例えば、デュポン社製の各種のNafion(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂膜、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。   The solid polymer electrolyte membrane is a polymer membrane having proton conductivity. Various materials have been proposed as the solid polymer electrolyte membrane. For example, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resin membranes, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes manufactured by Dow Chemical Co., Ltd. Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on fluorostyrene, and hydrocarbon polymer resin membranes having sulfonic acid groups, such as polymer electrolyte membranes and polymer microporous membranes that are generally commercially available Alternatively, a membrane impregnated with a liquid electrolyte or a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte may be used.

前記固体高分子電解質膜の厚さは、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.

触媒層は、触媒粒子がカーボン担体に担持されてなる電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含む。   The catalyst layer includes at least an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a carbon support and a solid polymer electrolyte.

前記カーボン担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、バルカン、アセチレンブラック等のカーボンブラック、前記カーボンブラックをグラファイト化処理したグラファイト化カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。高い比表面積および導電性に優れることからカーボンブラックが好ましく用いられる。   As the carbon carrier, any carbon carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state, and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Is preferred. Specifically, carbon black such as ketjen black, channel black, furnace black, thermal black, vulcan, acetylene black, graphitized carbon black obtained by graphitizing the carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, etc. The carbon particle which consists of is mentioned. Carbon black is preferably used because of its high specific surface area and excellent conductivity.

前記カーボン担体の形状は、特に制限されないが、触媒粒子を高分散担持させるには粒子状であるのが望ましい。前記カーボン粒子の平均粒子径は、電極触媒を用いて作製する電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するという観点からは、5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   The shape of the carbon support is not particularly limited, but it is preferably in the form of particles in order to carry the catalyst particles in a highly dispersed manner. The average particle diameter of the carbon particles is 5 to 200 nm, preferably about 10 to 100 nm, from the viewpoint of controlling the thickness of the electrode catalyst layer produced using the electrode catalyst within an appropriate range.

電極触媒に用いられる触媒粒子としては、水素の酸化反応および/または酸素の還元反応に触媒作用を有することが求められ、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。また、触媒粒子は、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、白金と、その他の金属との合金としてもよい。前記合金として、具体的には、白金と、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、およびアルミニウムなどから選択される少なくとも1種以上の金属との合金などが挙げられる。   The catalyst particles used for the electrode catalyst are required to have a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen and / or the reduction reaction of oxygen, and those containing at least platinum are preferably used. Further, the catalyst particles may be an alloy of platinum and other metals in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, and the like. Specifically, the alloy is at least selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. Examples thereof include alloys with one or more metals.

なかでも、耐溶解性の観点からは、白金合金粒子は、白金と、コバルト、ルテニウム、イリジウムから選択される少なくとも1種以上の金属との合金が好ましく挙げられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。   Among these, from the viewpoint of dissolution resistance, the platinum alloy particles are preferably an alloy of platinum and at least one metal selected from cobalt, ruthenium, and iridium. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed.

なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全にとけ合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。   In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure includes a eutectic alloy, which is a mixture of the constituent elements as separate crystals, a solid solution in which the constituent elements are completely mixed, and the constituent element is an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. In the present application, any of them may be used.

触媒層には、電極触媒の他に、固体高分子電解質が含まれる。前記固体高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。具体的には、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Flemion(登録商標、旭硝子株式会社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体、などが挙げられる。   In addition to the electrode catalyst, the catalyst layer contains a solid polymer electrolyte. The solid polymer electrolyte is not particularly limited and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Specifically, perfluorocarbon polymers having sulfonic acid groups such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), phosphoric acid, and the like. Hydrocarbon polymer compound doped with inorganic acid such as organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, polymer matrix impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution And proton conductors.

本発明のPEFCは、固体高分子電解質膜の両側に、一対の触媒層、すなわち燃料極触媒層および酸化剤極触媒層が配置されてなる膜電極接合体を有するが、さらに、燃料極触媒層および酸化剤極触媒層の外側にガス拡散層(GDL)が配置されてもよい。   The PEFC of the present invention has a membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers, that is, a fuel electrode catalyst layer and an oxidant electrode catalyst layer are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. In addition, a gas diffusion layer (GDL) may be disposed outside the oxidant electrode catalyst layer.

GDLに用いられる材料としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどからなるシート状材料が提案されている。GDLには、電子伝導性、撥水性などの機能も求められる。GDLが優れた電子伝導性を有していると、発電反応により生じた電子の効率的な運搬が達成され、燃料電池の性能が向上する。また、GDLが優れた撥水性を有していると、生成した水が効率的に排出される。   As a material used for GDL, a sheet-like material made of carbon paper, carbon cloth, non-woven fabric, carbon woven fabric, paper-like paper body, felt or the like has been proposed. GDL is also required to have functions such as electron conductivity and water repellency. When GDL has excellent electron conductivity, efficient transport of electrons generated by a power generation reaction is achieved, and the performance of the fuel cell is improved. Moreover, if GDL has excellent water repellency, the generated water is efficiently discharged.

高い撥水性を確保するために、GDLを構成する材料を撥水化処理する技術も提案されている。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を含む溶液中にカーボンペーパなどのGDLを構成する材料を含浸させ、大気中または窒素などの不活性ガス中で乾燥させる。場合によっては、親水化処理が、GDLを構成する材料に施されてもよい。乾燥後に、カーボンブラック粉末とPTFE等により形成されるカーボン層を配置しても良い。   In order to ensure high water repellency, a technique for water repellency treatment of a material constituting the GDL has also been proposed. For example, a solution containing a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with a material constituting GDL such as carbon paper, and dried in the air or an inert gas such as nitrogen. Depending on the case, the hydrophilization treatment may be performed on the material constituting the GDL. After drying, a carbon layer formed of carbon black powder and PTFE may be disposed.

GDLは、性能を向上させるために各種改良が施されても良い。例えば、カーボン繊維織布シート状材料の表面に、フッ素樹脂とカーボンブラックからなる層を形成することによって、GDLのガス拡散性や対圧縮性の向上が図られても良い(例えば、特開平10−261421号公報、特開平11−273688号公報参照)。   Various improvements may be made to the GDL in order to improve performance. For example, GDL gas diffusibility and compressibility may be improved by forming a layer composed of a fluororesin and carbon black on the surface of a carbon fiber woven sheet-like material (for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 10). -261421, JP-A-11-273688).

本発明の固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、酸化剤ガスと燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するためのガス流路を有するのがよい。セパレータの厚さや大きさ、ガス流路の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。セパレータにおけるガス流路の形状としては、蛇行状の他、セパレータの一端から他端に向かって直線状となるものなどが挙げられる。   The separator used in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. . The separator has a function of separating the oxidant gas and the fuel gas, and preferably has a gas flow path for securing the flow paths thereof. The thickness and size of the separator, the shape of the gas flow path, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell. Examples of the shape of the gas flow path in the separator include a meandering shape and a linear shape from one end of the separator to the other end.

本発明のPEFCには、上記したものの他にも、必要に応じて種々の部材が設置されうる。例えば、PEFCに供給されたガスの外部へのリークを防ぐガスケットが配置される。   In addition to the above-described ones, various members can be installed in the PEFC of the present invention as necessary. For example, a gasket that prevents leakage of gas supplied to the PEFC to the outside is disposed.

本発明の固体高分子型燃料電池では、固体高分子型燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator is formed so that the desired voltage of the polymer electrolyte fuel cell can be obtained. Also good. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の固体高分子型燃料電池の用途としては特に制限されない。本発明の固体高分子型燃料電池は、耐久性に優れることから、起動停止が頻繁に繰返されることにより燃料電池の構成材料の劣化が生じ易い自動車などの車両における駆動用電源として用いられるのがよい。   The use of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited. Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is excellent in durability, it is used as a driving power source in a vehicle such as an automobile in which deterioration of the constituent materials of the fuel cell is likely to occur due to frequent repeated starting and stopping. Good.

本発明のPEFCに用いられる、触媒層の製造方法としては、電極触媒、固体高分子電解質などを含む触媒層インクを、基材に塗布および乾燥させる従来公知の方法を適宜応用して用いることができる。具体的には、異なる平均粒子径を有する触媒粒子を含む触媒層インクを複数調整し、基材上の所定の位置に各触媒層インクを塗布および乾燥する方法が用いられる。   As a method for producing a catalyst layer used in the PEFC of the present invention, a conventionally known method of applying and drying a catalyst layer ink containing an electrode catalyst, a solid polymer electrolyte, and the like to a substrate and appropriately using it may be used. it can. Specifically, a method is used in which a plurality of catalyst layer inks containing catalyst particles having different average particle sizes are prepared, and each catalyst layer ink is applied and dried at a predetermined position on the substrate.

前記触媒スラリーに用いられえる溶媒としては、水、および/または、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール系溶媒などが挙げられる。また、前記触媒スラリーを塗布する基材としては、ガス拡散層、固体高分子電解質膜、PTFE製シートなどのシート状基材などが挙げられる。   Examples of the solvent that can be used for the catalyst slurry include water and / or alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, and propylene glycol. Examples of the substrate on which the catalyst slurry is applied include a gas diffusion layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a sheet-like substrate such as a PTFE sheet.

例えば、得られる膜電極接合体の面方向に向かって二つの領域に分割した触媒層を作製する場合、前記基材表面の所定の領域に触媒層インクを塗布した後、前記触媒層インクよりも平均粒子径を有する触媒粒子を含む触媒層インクを前記基材表面の残りの領域に塗布する方法などが用いられる。   For example, when preparing a catalyst layer divided into two regions in the surface direction of the membrane electrode assembly obtained, after applying the catalyst layer ink to a predetermined region of the substrate surface, For example, a method of applying a catalyst layer ink containing catalyst particles having an average particle diameter to the remaining region of the substrate surface is used.

また、膜電極接合体の厚さ方向に向かって二つの領域に分割し、さらに膜電極接合体の面方向に向かって二つの領域に分割した触媒層を作製する場合には、前記基材表面の所定の領域に触媒層インクを塗布した後、前記触媒層インクよりも平均粒子径を有する触媒粒子を含む触媒層インクを前記基材表面の残りの領域に塗布することにより触媒層(2)を得る。続いて、前記触媒層(2)表面の所定の領域に、より大きい平均粒子径を有する触媒粒子を含む触媒層インクを塗布した後、前記触媒層(2)表面の残りの領域にさらに大きい平均粒子径を有する触媒粒子を含む触媒層インクを塗布することにより触媒層(1)を得ることにより、触媒層が得られる。   In the case of preparing a catalyst layer that is divided into two regions in the thickness direction of the membrane electrode assembly and further divided into two regions in the surface direction of the membrane electrode assembly, After applying the catalyst layer ink to a predetermined region of the catalyst layer, the catalyst layer ink containing catalyst particles having an average particle diameter larger than that of the catalyst layer ink is applied to the remaining region of the substrate surface to thereby form the catalyst layer (2). Get. Subsequently, after applying a catalyst layer ink containing catalyst particles having a larger average particle diameter to a predetermined region on the surface of the catalyst layer (2), a larger average is applied to the remaining region on the surface of the catalyst layer (2). A catalyst layer is obtained by applying a catalyst layer ink containing catalyst particles having a particle diameter to obtain the catalyst layer (1).

触媒層インクの乾燥は、触媒層インクを塗布するごとに行ってもよく、全ての触媒層インクを塗布した後に纏めて行ってもよい。前記触媒層インクの乾燥は、特に制限されないが、20〜25℃で、0.5〜2時間程度、行えばよい。   The drying of the catalyst layer ink may be performed every time the catalyst layer ink is applied, or may be performed collectively after all the catalyst layer inks are applied. The drying of the catalyst layer ink is not particularly limited, but may be performed at 20 to 25 ° C. for about 0.5 to 2 hours.

本発明の第二は、固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質と、を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記カーボン担体の結晶性が高くなる固体高分子型燃料電池である。
The second of the present invention is a membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and is sandwiched by a separator having a gas flow path,
The catalyst layer is a solid polymer fuel cell comprising an electrode catalyst having catalyst particles supported on a carbon support, and a solid polymer electrolyte,
At least one of the catalyst layers is a polymer electrolyte fuel cell in which the crystallinity of the carbon support increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path.

本発明の固体高分子型燃料電池(単に「PEFC」とも記載する)の基本的な構成は、上述した本発明の第一において記載した図1に模式的に示す固体高分子型燃料電池と同様の構成が挙げられる。   The basic structure of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention (also simply referred to as “PEFC”) is the same as that of the polymer electrolyte fuel cell schematically shown in FIG. The structure is mentioned.

電極触媒層において、電極触媒の劣化の要因の一つであるカーボン担体の腐食が生じやすい部位は、水分が多く、かつ、低負荷運転時に高電位状態に晒される部位となり易い。これは下記のメカニズムにより生じると考えられる。   In the electrode catalyst layer, the portion where the carbon support that is one of the causes of deterioration of the electrode catalyst is likely to be corroded is likely to be a portion that has a lot of moisture and is exposed to a high potential state during low load operation. This is considered to be caused by the following mechanism.

電極反応により生成した水分、および、セパレータに設けられたガス流路を通じて供給されたガスに含まれる水分は、触媒層において停留しやすく、触媒層においてガス流路の入口側から出口側に向かって停留する水分量が多くなる。カーボン担体の腐食は、触媒層中に存在する水を酸化剤として二酸化炭素を生成する電気化学的な酸化反応(C+2HO→CO+4H+4e)によって生じ、水を酸化剤として進行する。さらに、かようなカーボン担体の腐食反応は、高電位状態(セル電圧0.8V以上)となる部位でさらに促進される。このため、電極触媒層における電極触媒の劣化の要因となるカーボン担体の腐食は、ガス流路の入口側から出口側に向かうにつれて著しく生じる傾向がある。触媒層においてガス流路の入口側のカーボン担体の腐食が少なくても、出口側のカーボン担体の腐食が大きいことに起因して、電池全体の発電性能が低下する傾向がある。 The moisture generated by the electrode reaction and the moisture contained in the gas supplied through the gas flow path provided in the separator are likely to stay in the catalyst layer, and in the catalyst layer from the inlet side to the outlet side of the gas flow path. The amount of water to be retained increases. The corrosion of the carbon support is caused by an electrochemical oxidation reaction (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e ) that generates carbon dioxide using water present in the catalyst layer as an oxidizing agent, and proceeds using water as the oxidizing agent. . Further, such a corrosion reaction of the carbon support is further promoted at a portion where a high potential state (cell voltage of 0.8 V or more) is obtained. For this reason, the corrosion of the carbon carrier that causes the deterioration of the electrode catalyst in the electrode catalyst layer tends to occur remarkably as it goes from the inlet side to the outlet side of the gas flow path. Even if the corrosion of the carbon support on the inlet side of the gas flow path in the catalyst layer is small, the power generation performance of the entire battery tends to be reduced due to the large corrosion of the carbon support on the outlet side.

また、結晶性の低いカーボン担体は、比表面積が大きく触媒粒子を高分散担持させることができるのに対して、結晶性の高いカーボン担体は耐食性に優れる。触媒層において、カーボン担体の腐食が生じ難い部位に結晶性の低いカーボン担体を配置するとともに、カーボン担体の腐食が生じ易い部位に結晶性の高いカーボン担体を配置することにより、高い触媒活性を維持しつつカーボン担体の腐食を効率的に抑制することができるのである。   In addition, a carbon support having low crystallinity has a large specific surface area and can carry catalyst particles in a highly dispersed manner, whereas a carbon support having high crystallinity is excellent in corrosion resistance. In the catalyst layer, high catalytic activity is maintained by disposing a carbon support with low crystallinity at a site where corrosion of the carbon support is unlikely to occur, and a carbon support with high crystallinity at a site where corrosion of the carbon support is likely to occur. However, corrosion of the carbon support can be efficiently suppressed.

このように、本発明の固体高分子型燃料電池では、カーボン担体の結晶性を電極触媒層において所定の方向に向かって高くすることにより、燃料電池の起動停止サイクルが繰返されることにより電極触媒層の特定の部位において特に発生しやすいカーボン腐食による電極触媒の劣化を抑制することが可能となる。従って、本発明によれば、高い発電性能を長期にわたって維持することができる固体高分子型燃料電池を提供することができる。   Thus, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, by increasing the crystallinity of the carbon support in a predetermined direction in the electrode catalyst layer, the start and stop cycle of the fuel cell is repeated, whereby the electrode catalyst layer It is possible to suppress the deterioration of the electrode catalyst due to the carbon corrosion that is particularly likely to occur at the specific part. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining high power generation performance over a long period of time.

続いて、本発明のPEFCにおける触媒層が有する構成について説明する。   Then, the structure which the catalyst layer in PEFC of this invention has is demonstrated.

本発明では、燃料極側および酸化剤極側のうち少なくとも一方に配置される触媒層において、セパレータが有するガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって、カーボン担体の結晶性を高くする。   In the present invention, in the catalyst layer disposed on at least one of the fuel electrode side and the oxidant electrode side, the crystallinity of the carbon support is increased from the gas inlet side to the outlet side of the gas supply path of the separator. .

本発明では、カーボン担体の結晶性を、触媒層においてセパレータのガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって高くするが、さらに、触媒層においてセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かってカーボン担体の結晶性を高くするのが好ましい。これにより、触媒層のカーボン担体の腐食が生じ易い部位に耐食性の高いカーボン担体を配置することができ、PEFCの耐久性をより向上させることができる。   In the present invention, the crystallinity of the carbon support is increased from the gas inlet side to the outlet side of the gas supply path of the separator in the catalyst layer, and further from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side in the catalyst layer. Thus, it is preferable to increase the crystallinity of the carbon support. Thereby, a carbon support with high corrosion resistance can be arranged at a portion where the carbon support of the catalyst layer is likely to be corroded, and the durability of PEFC can be further improved.

前記カーボン担体の結晶性は、カーボン担体のグラファイト化により容易に調整することができる。   The crystallinity of the carbon support can be easily adjusted by graphitization of the carbon support.

前記カーボン担体のグラファイト化は、熱処理など、従来一般的に用いられているものであれば特に限定されない。前記熱処理は、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。また、熱処理温度、熱処理時間は、用いるカーボン担体の材質によって異なるが、2,000〜3,000℃で、5〜20時間程度行えばよい。   The graphitization of the carbon carrier is not particularly limited as long as it is conventionally used, such as heat treatment. The heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, or helium. Moreover, although heat processing temperature and heat processing time change with materials of the carbon support | carrier to be used, what is necessary is just to carry out at 2,000-3,000 degreeC for about 5 to 20 hours.

このようにグラファイト化などによりカーボン担体の結晶性が向上するとともに、カーボン担体の比表面積は小さくなり、カーボン担体の比表面積はカーボン担体の結晶性の指標となる。すなわち、本発明の触媒層の好ましい形態としては、触媒層における前記カーボン担体の比表面積が、前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、さらに好ましくはセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、小さくなる形態となる。   As described above, the graphitization and the like improve the crystallinity of the carbon support and reduce the specific surface area of the carbon support, and the specific surface area of the carbon support is an indicator of the crystallinity of the carbon support. That is, as a preferred form of the catalyst layer of the present invention, the specific surface area of the carbon support in the catalyst layer is from the inlet side to the outlet side of the gas flow path, more preferably from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side. It becomes a form which becomes small toward.

このとき、カーボン担体の比表面積は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に小さくなってもよく、漸減してもよい。なかでも、触媒層の製造、触媒層におけるカーボン担体の結晶性の制御などが容易であることから、カーボン担体の比表面積は、段階的に小さくなるのがよい。   At this time, the specific surface area of the carbon support gradually decreases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the catalyst layer, more preferably from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side. Or may be gradually reduced. In particular, the specific surface area of the carbon support should be reduced stepwise because the production of the catalyst layer and the control of the crystallinity of the carbon support in the catalyst layer are easy.

触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かってカーボン担体の結晶性が大きくなる構成を有する触媒層として、好ましい一実施形態としては、例えば、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層を二以上の領域にわける図2に示す構成が挙げられる。図2は、本発明の第一において記載したのと同様に、入口側触媒層120iと出口側触媒層120eとを有する触媒層120の模式図である。入口側触媒層120iと出口側触媒層120eに、それぞれ所定の比表面積を有するカーボン担体を含ませるのがよい。そして、固体高分子型燃料電池を組立てる際に、入口側触媒層120iをセパレータが有するガス流路の入口側に配置し、出口側触媒層120eをセパレータが有する出口側に配置すればよい。   As a catalyst layer having a configuration in which the crystallinity of the carbon support increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the catalyst layer, as a preferred embodiment, for example, in the surface direction of the membrane electrode assembly The structure shown in FIG. 2 which divides a catalyst layer into two or more area | regions is mentioned. FIG. 2 is a schematic view of the catalyst layer 120 having the inlet side catalyst layer 120i and the outlet side catalyst layer 120e, as described in the first aspect of the present invention. The inlet side catalyst layer 120i and the outlet side catalyst layer 120e may each contain a carbon support having a predetermined specific surface area. Then, when assembling the polymer electrolyte fuel cell, the inlet side catalyst layer 120i may be arranged on the inlet side of the gas flow path of the separator, and the outlet side catalyst layer 120e may be arranged on the outlet side of the separator.

前記触媒層が入口側触媒層および出口側触媒層の二層からなるとき、隣接する層とのカーボン担体の比表面積の差は、好ましくは10〜800m/g、より好ましくは150〜700m/gとするのがよい。 When the catalyst layer is composed of two layers of an inlet side catalyst layer and an outlet side catalyst layer, the difference in specific surface area of the carbon support from the adjacent layer is preferably 10 to 800 m 2 / g, more preferably 150 to 700 m 2. / G.

各層におけるカーボン担体の各層におけるカーボン担体の比表面積として、具体的には、前記入口側触媒層に含まれるカーボン担体の比表面積は、好ましくは400〜1000m/g、より好ましくは600〜900m/gとするのがよい。 As the specific surface area of the carbon support in each layer of the carbon support in each layer, specifically, the specific surface area of the carbon support included in the inlet-side catalyst layer is preferably 400 to 1000 m 2 / g, more preferably 600~900M 2 / G.

また、前記出口側触媒層に含まれるカーボン担体の比表面積は、好ましくは70〜350m/g、より好ましくは100〜250m/gとするのがよい。 The specific surface area of the carbon support contained in the outlet-side catalytic layer is preferably 70~350m 2 / g, more preferably preferably set to 100 to 250 m 2 / g.

前記触媒層において入口側触媒層および出口側触媒層との範囲は、得られる固体高分子型燃料電池の耐久性を考慮して決定すればよい。前記出口側触媒層は、前記触媒層の全体に対して、好ましくは40〜60体積%、より好ましくは40〜50体積%とするのがよい。これにより、カーボンの腐食による電極触媒の劣化が生じ易い部位に耐腐食性の高いカーボン担体を含有させることができる。   The ranges of the inlet side catalyst layer and the outlet side catalyst layer in the catalyst layer may be determined in consideration of the durability of the obtained polymer electrolyte fuel cell. The outlet catalyst layer is preferably 40 to 60% by volume, more preferably 40 to 50% by volume, based on the entire catalyst layer. Thereby, a carbon support with high corrosion resistance can be contained in a portion where the electrode catalyst is likely to be deteriorated due to carbon corrosion.

上記では、触媒層を膜電極接合体の面方向に向かって二つの領域に分割したが、これに限定されず、さらに触媒層を膜電極接合体の面方向に向かって三つ以上の領域に分割してもよい。   In the above, the catalyst layer is divided into two regions in the surface direction of the membrane electrode assembly. However, the present invention is not limited to this, and the catalyst layer is further divided into three or more regions in the surface direction of the membrane electrode assembly. It may be divided.

前記ガス流路の入口側から出口側に向かう他、さらに、セパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、カーボン担体の結晶性が大きくなる構成を有する触媒層の好ましい一実施形態としては、触媒層を、膜電極接合体の厚さ方向に向かって二以上の領域にわけ、さらに膜電極接合体の面方向に向かって二以上の領域にわけ、各領域に所定の比表面積を有するカーボン担体を含ませる構成が挙げられる。   As a preferred embodiment of the catalyst layer having a configuration in which the crystallinity of the carbon support is increased from the inlet side to the outlet side of the gas flow path, and further from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side, The catalyst layer is divided into two or more regions in the thickness direction of the membrane electrode assembly, and further divided into two or more regions in the surface direction of the membrane electrode assembly, and carbon having a predetermined specific surface area in each region. A configuration including a carrier is mentioned.

具体的には、触媒層(1)と触媒層(2)とが、前記触媒層(1)が前記固体高分子電解質膜側に配置されるように、前記膜電極接合体の厚さ方向に積層されてなり、前記触媒層(1)は、入口側触媒層(1−1)と出口側触媒層(1−2)とが前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、前記触媒層(2)は、入口側触媒層(2−1)と出口側触媒層(2−2)とが前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、各触媒層に所定の比表面積を有するカーボン担体を含ませる構成が挙げられる。より具体的には、本発明の第一において記載した図3に示すのと同様の構成を有する触媒層120が挙げられ、触媒層120は、入口側触媒層(1−1)121iおよび入口側触媒層(2−1)122iと、出口側触媒層(1−2)121eおよび出口側触媒層(2−2)122eとを有し、各触媒層に所定の比表面積を有するカーボン担体が含有される。また、前記触媒層120を用いて固体高分子型燃料電池とした際に、触媒層(1)がセパレータ側に配置され、触媒層(2)が固体高分子電解質膜側に配置され、入口側触媒層(1−1)および入口側触媒層(2−1)がセパレータが有するガス流路の入口側に配置され、出口側触媒層(1−2)および出口側触媒層(2−2)がセパレータが有するガス流路の出口側に配置される。   Specifically, the catalyst layer (1) and the catalyst layer (2) are arranged in the thickness direction of the membrane electrode assembly such that the catalyst layer (1) is disposed on the solid polymer electrolyte membrane side. The catalyst layer (1) is formed by arranging an inlet side catalyst layer (1-1) and an outlet side catalyst layer (1-2) in the surface direction of the membrane electrode assembly, The layer (2) includes an inlet side catalyst layer (2-1) and an outlet side catalyst layer (2-2) arranged in the surface direction of the membrane electrode assembly, and each catalyst layer has a predetermined specific surface area. The structure which contains the carbon support | carrier which has is mentioned. More specifically, there is a catalyst layer 120 having the same configuration as that shown in FIG. 3 described in the first aspect of the present invention. The catalyst layer 120 includes an inlet side catalyst layer (1-1) 121i and an inlet side. A carbon carrier having a catalyst layer (2-1) 122i, an outlet side catalyst layer (1-2) 121e, and an outlet side catalyst layer (2-2) 122e, each having a specific surface area. Is done. Further, when the polymer layer 120 is used as the solid polymer fuel cell, the catalyst layer (1) is disposed on the separator side, the catalyst layer (2) is disposed on the solid polymer electrolyte membrane side, and the inlet side The catalyst layer (1-1) and the inlet side catalyst layer (2-1) are arranged on the inlet side of the gas flow path of the separator, and the outlet side catalyst layer (1-2) and the outlet side catalyst layer (2-2). Is disposed on the outlet side of the gas flow path of the separator.

触媒層(1)および触媒層(2)が積層されてなり、前記触媒層(1)が入口側触媒層(1−1)および出口側触媒層(1−2)の少なくとも二層からなるとき、前記触媒層(1)において隣接する層とのカーボン担体の比表面積の差は、好ましくは130〜700m/g、より好ましくは70〜200m/gとするのがよい。 When the catalyst layer (1) and the catalyst layer (2) are laminated, and the catalyst layer (1) is composed of at least two layers of an inlet side catalyst layer (1-1) and an outlet side catalyst layer (1-2) The difference in specific surface area of the carbon support from the adjacent layer in the catalyst layer (1) is preferably 130 to 700 m 2 / g, more preferably 70 to 200 m 2 / g.

また、前記触媒層(2)が入口側触媒層(2−1)および出口側触媒層(2−2)の少なくとも二層からなるとき、隣接する層とのカーボン担体の比表面積の差は、好ましくは200〜800m/g、より好ましくは300〜500m/gとするのがよい。 Further, when the catalyst layer (2) is composed of at least two layers of an inlet side catalyst layer (2-1) and an outlet side catalyst layer (2-2), the difference in specific surface area of the carbon support with the adjacent layer is as follows: preferably 200~800m 2 / g, more preferably from to the 300~500m 2 / g.

各層におけるカーボン担体の比表面積として、具体的には、入口側触媒層(2−1)に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは400〜1200m/g、より好ましくは600〜900m/gとし、出口側触媒層(2−2)に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは200〜900m/g、より好ましくは250〜350m/gとする。 As the specific surface area of the carbon support in each layer, specifically, the specific surface area of the carbon carrier contained in the inlet-side catalyst layer (2-1), preferably 400~1200m 2 / g, more preferably 600~900m 2 / The specific surface area of the carbon support contained in the outlet side catalyst layer (2-2) is preferably 200 to 900 m 2 / g, more preferably 250 to 350 m 2 / g.

また、入口側触媒層(1−1)に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは200〜900m/g、より好ましくは250〜350m/gとし、出口側触媒層(1−2)に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは70〜250m/g、より好ましくは100〜200m/gとする。 The specific surface area of the carbon support contained in the inlet catalyst layer (1-1) is preferably 200 to 900 m 2 / g, more preferably 250 to 350 m 2 / g, and the outlet catalyst layer (1-2). the specific surface area of the carbon carrier contained in, preferably 70 to 250 2 / g, more preferably from 100 to 200 m 2 / g.

このとき、カーボン担体の比表面積は、入口側触媒層(2−1)よりも出口側触媒層(2−2)の方が小さく、前記入口側触媒層(1−1)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が小さく、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記入口側触媒層(1−1)の方が小さく、前記出口側触媒層(2−2)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が小さくするのがよい。   At this time, the specific surface area of the carbon support is smaller in the outlet side catalyst layer (2-2) than in the inlet side catalyst layer (2-1), and more in the outlet side than in the inlet side catalyst layer (1-1). The catalyst layer (1-2) is smaller, the inlet side catalyst layer (1-1) is smaller than the inlet side catalyst layer (2-1), and is smaller than the outlet side catalyst layer (2-2). Also, the outlet side catalyst layer (1-2) is preferably made smaller.

なお、本発明においてカーボン担体の比表面積とは、窒素吸着により測定したBET法により測定した値とする。   In the present invention, the specific surface area of the carbon support is a value measured by the BET method measured by nitrogen adsorption.

触媒層(1)における入口側触媒層(1−1)と出口側触媒層(1−2)との範囲、触媒層(2)における入口側触媒層(2−1)と出口側触媒層(2−2)との範囲は得られる固体高分子型燃料電池の耐久性を考慮して決定すればよい。   The range of the inlet side catalyst layer (1-1) and the outlet side catalyst layer (1-2) in the catalyst layer (1), the inlet side catalyst layer (2-1) and the outlet side catalyst layer ( The range 2-2) may be determined in consideration of the durability of the obtained polymer electrolyte fuel cell.

入口側触媒層(2−1)は、触媒層(2)の全体に対して、好ましくは30〜60体積%、より好ましくは40〜50体積%とするのがよい。   The inlet catalyst layer (2-1) is preferably 30 to 60% by volume, more preferably 40 to 50% by volume, based on the entire catalyst layer (2).

また、入口側触媒層(1−1)は、触媒層(1)の全体に対して、好ましくは30〜60体積%、より好ましくは40〜50体積%とするのがよい。   The inlet catalyst layer (1-1) is preferably 30 to 60% by volume, more preferably 40 to 50% by volume, based on the entire catalyst layer (1).

本発明では、上述した触媒層において、カーボン担体上に担持される触媒粒子の平均粒子径が所定の方向に向かって大きくなる構成をさらに有するのが好ましい。本発明の第一において記載した通り、平均粒子径が大きい触媒粒子は耐溶解性に優れ、平均粒子径が小さい触媒粒子は触媒活性に優れる。従って、触媒層においてこれらを適切に配置することにより、高い触媒活性を維持しつつ触媒粒子の溶解をより高く抑制することが可能となる。   In the present invention, it is preferable that the above-described catalyst layer further has a configuration in which the average particle diameter of the catalyst particles supported on the carbon support increases in a predetermined direction. As described in the first aspect of the present invention, catalyst particles having a large average particle diameter are excellent in dissolution resistance, and catalyst particles having a small average particle diameter are excellent in catalytic activity. Therefore, by appropriately disposing these in the catalyst layer, it is possible to further suppress the dissolution of the catalyst particles while maintaining high catalyst activity.

前記触媒層として具体的には、前記触媒層においてセパレータのガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって、触媒粒子の平均粒子径を大きくするのが好ましいが、さらに、触媒層においてセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって触媒粒子の平均粒子径を大きくするのがより好ましい。これにより、触媒層の触媒粒子の溶解が生じ易い部位に耐溶解性の高い触媒粒子を配置することができ、よりPEFCの耐久性を向上させることができる。   Specifically, as the catalyst layer, it is preferable to increase the average particle diameter of the catalyst particles from the gas inlet side to the outlet side of the gas supply path of the separator in the catalyst layer. It is more preferable to increase the average particle diameter of the catalyst particles from the side toward the solid polymer electrolyte membrane side. As a result, catalyst particles having high dissolution resistance can be disposed in the catalyst layer where the catalyst particles are likely to be dissolved, and the durability of the PEFC can be further improved.

このとき、触媒粒子の平均粒子径は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に大きくなってもよく、漸増してもよい。なかでも、触媒層の製造、触媒層における触媒粒子の平均粒子径の制御などが容易であることから、触媒粒子の平均粒子径は、段階的に大きくなるのがよい。   At this time, the average particle diameter of the catalyst particles gradually increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the catalyst layer, more preferably from the separator side to the solid polymer electrolyte membrane side. Or may be gradually increased. Among these, since the production of the catalyst layer and the control of the average particle diameter of the catalyst particles in the catalyst layer are easy, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably increased stepwise.

図2に示す触媒層のように、触媒層が入口側触媒層および出口側触媒層の二層からなるとき、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは0.1〜4nm、より好ましくは0.1〜2nmとするのがよい。   When the catalyst layer is composed of two layers of the inlet side catalyst layer and the outlet side catalyst layer as in the catalyst layer shown in FIG. 2, the difference in the average particle diameter of the catalyst particles from the adjacent layer is preferably 0.1 to The thickness should be 4 nm, more preferably 0.1 to 2 nm.

各層における触媒粒子の平均粒子径として、具体的には、前記入口側触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは2〜4nm、より好ましくは2〜3.5nmとするのがよい。   As the average particle diameter of the catalyst particles in each layer, specifically, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the inlet side catalyst layer is preferably 2 to 4 nm, more preferably 2 to 3.5 nm. .

また、前記出口側触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは2.5〜6nm、より好ましくは3〜5.5nmとするのがよい。   The average particle size of the catalyst particles contained in the outlet side catalyst layer is preferably 2.5 to 6 nm, more preferably 3 to 5.5 nm.

また、図3に示す触媒層のように、触媒層が、入口側触媒層(1−1)、出口側触媒層(1−2)、入口側触媒層(2−1)、および出口側触媒層(2−2)を有する場合、入口側触媒層(1−1)および出口側触媒層(1−2)の少なくとも二層からなる前記触媒層(1)において、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは0.1〜3.0nm、より好ましくは0.1〜2.0nmとするのがよい。   Moreover, like the catalyst layer shown in FIG. 3, the catalyst layer is composed of an inlet side catalyst layer (1-1), an outlet side catalyst layer (1-2), an inlet side catalyst layer (2-1), and an outlet side catalyst. In the case of having the layer (2-2), in the catalyst layer (1) composed of at least two layers of the inlet side catalyst layer (1-1) and the outlet side catalyst layer (1-2), catalyst particles with adjacent layers The difference in the average particle diameter is preferably 0.1 to 3.0 nm, more preferably 0.1 to 2.0 nm.

また、入口側触媒層(2−1)および出口側触媒層(2−2)の少なくとも二層からなる前記触媒層(2)において、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは0.1〜3.0nm、より好ましくは0.1〜2.0nmとするのがよい。   Further, in the catalyst layer (2) composed of at least two layers of the inlet side catalyst layer (2-1) and the outlet side catalyst layer (2-2), the difference in the average particle diameter of the catalyst particles from the adjacent layers is The thickness is preferably 0.1 to 3.0 nm, more preferably 0.1 to 2.0 nm.

各層における触媒粒子の平均粒子径として、具体的には、前記入口側触媒層(2−1)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは2〜4nm、より好ましくは2〜3nmとし、前記出口側触媒層(2−2)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは2.5〜5nm、より好ましくは2.5〜4nmとするのがよい。   As the average particle diameter of the catalyst particles in each layer, specifically, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the inlet catalyst layer (2-1) is preferably 2 to 4 nm, more preferably 2 to 3 nm. The average particle diameter of the catalyst particles contained in the outlet side catalyst layer (2-2) is preferably 2.5 to 5 nm, more preferably 2.5 to 4 nm.

また、前記入口側触媒層(1−1)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは2.5〜5nm、より好ましくは2.5〜4nmとし、前記出口側触媒層(1−2)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは4〜6nm、より好ましくは4〜5nmとするのがよい。   The average particle diameter of the catalyst particles contained in the inlet side catalyst layer (1-1) is preferably 2.5 to 5 nm, more preferably 2.5 to 4 nm, and the outlet side catalyst layer (1- The average particle diameter of the catalyst particles contained in 2) is preferably 4 to 6 nm, more preferably 4 to 5 nm.

このとき、前記触媒粒子の平均粒子径は、前記入口側触媒層(1−1)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が大きく、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記入口側触媒層(1−1)の方が大きく、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記出口側触媒層(2−2)の方が大きく、前記出口側触媒層(2−2)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が大きくするのがよい。   At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is larger in the outlet catalyst layer (1-2) than in the inlet catalyst layer (1-1), and is larger than that in the inlet catalyst layer (2-1). Also, the inlet side catalyst layer (1-1) is larger, the outlet side catalyst layer (2-2) is larger than the inlet side catalyst layer (2-1), and the outlet side catalyst layer (2) is larger. The outlet side catalyst layer (1-2) is preferably larger than -2).

触媒層の総膜厚は、好ましくは25μm以下である。触媒層全体の厚さが薄すぎると、電極反応に必要な触媒量を十分に確保できなくなる虞、および、電池性能や寿命特性が低下する虞がある。一方、触媒層の厚さが厚すぎると、発電性能が低下する虞がある。したがって、電池性能や寿命特性を考慮して、触媒層の厚みが決定されるべきである。   The total film thickness of the catalyst layer is preferably 25 μm or less. If the thickness of the entire catalyst layer is too thin, it may not be possible to secure a sufficient amount of catalyst necessary for the electrode reaction, and battery performance and life characteristics may be deteriorated. On the other hand, if the thickness of the catalyst layer is too thick, the power generation performance may be reduced. Therefore, the thickness of the catalyst layer should be determined in consideration of battery performance and life characteristics.

また、触媒層が、触媒層(1)と触媒層(2)とが積層されてなる場合、前記触媒層(2)の厚さは、好ましくは4〜15μm、より好ましくは6〜10μmである。また、前記触媒層(1)の厚さは、好ましくは2〜7μm、より好ましくは2〜5μmである。   When the catalyst layer is formed by laminating the catalyst layer (1) and the catalyst layer (2), the thickness of the catalyst layer (2) is preferably 4 to 15 μm, more preferably 6 to 10 μm. . The thickness of the catalyst layer (1) is preferably 2 to 7 μm, more preferably 2 to 5 μm.

本発明において、上述した触媒層において、電極触媒における触媒粒子として白金粒子および白金合金粒子を用い、セパレータが有するガス流路の入口側から出口側にむかって、前記白金合金粒子の含有率が高くなる構成をさらに有するのが好ましく、さらに触媒層においてセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって白金合金粒子の含有率を高くするのが好ましい。これにより、触媒層の触媒粒子の溶解が生じ易い部位に耐溶解性の高い白金合金粒子を配置することができ、PEFCの耐久性をさらに向上させることができる。なお、かようなより好ましい構成を有する触媒層については、本発明の第一において記載したのと同様であるため、白金合金粒子の含有率の値など具体的な説明についてはここでは省略する。   In the present invention, in the catalyst layer described above, platinum particles and platinum alloy particles are used as catalyst particles in the electrode catalyst, and the content rate of the platinum alloy particles is high from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the separator. It is preferable to further have a configuration in which the platinum alloy particle content is preferably increased from the separator side toward the solid polymer electrolyte membrane side in the catalyst layer. As a result, platinum alloy particles having high dissolution resistance can be disposed in the catalyst layer where the catalyst particles are likely to be dissolved, and the durability of the PEFC can be further improved. Since the catalyst layer having such a more preferable configuration is the same as that described in the first aspect of the present invention, a specific description such as the value of the content of platinum alloy particles is omitted here.

さらに、本発明の触媒層では、セパレータが有するガス流路の入口側から出口側に向かって、前記白金合金粒子における白金の質量比が小さくなる構成を有するのが好ましく、さらに前記触媒層においてセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって前記白金合金粒子における白金の質量比が小さくなるのが好ましい。これにより、触媒層における触媒粒子の溶解をより高く抑制することができ、得られる固体高分子型燃料電池の耐久性をさらに向上させることが可能となる。なお、かようなより好ましい構成を有する触媒層については、本発明の第一において記載したのと同様であるため、白金合金粒子中の白金の質量比の値など具体的な説明についてはここでは省略する。   Furthermore, the catalyst layer of the present invention preferably has a configuration in which the mass ratio of platinum in the platinum alloy particles decreases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the separator. It is preferable that the mass ratio of platinum in the platinum alloy particles decreases from the side toward the solid polymer electrolyte membrane side. Thereby, dissolution of the catalyst particles in the catalyst layer can be further suppressed, and the durability of the obtained polymer electrolyte fuel cell can be further improved. Since the catalyst layer having such a more preferable configuration is the same as that described in the first aspect of the present invention, the specific description such as the value of the mass ratio of platinum in the platinum alloy particles is here. Omitted.

本発明の固体高分子型燃料電池において、触媒粒子の担体として用いられるカーボン担体の結晶性を、セパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって高くする構成を有する上述した触媒層は、燃料極触媒層および酸化剤極触媒層のうち少なくとも一方に用いられればよい。なかでも、水分の停留が生じてカーボン担体の腐食が生じ易い酸化剤極触媒層に用いられるのが好ましく、より好ましくは燃料極触媒層および酸化剤極触媒層の双方に用いられるのがよい。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the catalyst layer described above having a configuration in which the crystallinity of the carbon support used as the support for the catalyst particles is increased from the inlet side to the outlet side of the gas flow path of the separator, It may be used for at least one of the fuel electrode catalyst layer and the oxidant electrode catalyst layer. Among them, it is preferably used for the oxidant electrode catalyst layer in which moisture retention occurs and the carbon carrier is easily corroded, and more preferably used for both the fuel electrode catalyst layer and the oxidant electrode catalyst layer.

本発明のPEFCは、触媒層におけるカーボン担体の結晶性が所定の方向に向かって大きくなる構成を有する点を除いては、従来のPEFCにおいて用いられていた材料が、同様に用いられうる。固体高分子電解質膜、触媒層などの基本構成については特に限定されるわけではなく、従来公知のものが適宜用いられる。具体的には、本発明の第一においてした説明と同様のものが上げられるため、ここではPEFCに関するより詳細な説明を省略する。   For the PEFC of the present invention, materials used in the conventional PEFC can be similarly used except that the crystallinity of the carbon support in the catalyst layer increases in a predetermined direction. The basic configuration of the solid polymer electrolyte membrane, the catalyst layer and the like is not particularly limited, and conventionally known ones are used as appropriate. Specifically, since the same thing as the explanation given in the first of the present invention is raised, the more detailed explanation about PEFC is omitted here.

また、本発明のPEFCに用いられる、触媒層の製造方法としては、電極触媒、固体高分子電解質などを含む触媒層インクを、基材に塗布および乾燥させる従来公知の方法を適宜応用して用いることができる。具体的には、異なる結晶性を有するカーボン担体を含む触媒層インクを複数調整し、基材上の所定の位置に各触媒層インクを塗布および乾燥する方法が用いられる。具体的には、触媒粒子の平均粒子径に替わってカーボン担体の結晶性を調整する以外は、本発明の第一において記載したのと同様の方法が用いられるため、ここでは詳細な説明を省略する。   In addition, as a method for producing the catalyst layer used in the PEFC of the present invention, a conventionally known method for applying and drying a catalyst layer ink containing an electrode catalyst, a solid polymer electrolyte, and the like to a substrate is appropriately applied and used. be able to. Specifically, a method is used in which a plurality of catalyst layer inks containing carbon carriers having different crystallinity are prepared, and each catalyst layer ink is applied and dried at a predetermined position on the substrate. Specifically, since the same method as described in the first aspect of the present invention is used except that the crystallinity of the carbon support is adjusted instead of the average particle diameter of the catalyst particles, detailed description is omitted here. To do.

以下、本発明について実施例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲は、以下の実施例に限定されない。   Hereinafter, although the present invention is explained using an example, the technical scope of the present invention is not limited to the following example.

(実施例1)
カーボン担体(ケッチェンブラック、比表面積約800m/g)上に白金粒子(平均粒子径約2.5nm、担持量約47質量%)が担持された電極触媒1に対し、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクAを調製した。
Example 1
For the electrode catalyst 1 in which platinum particles (average particle diameter of about 2.5 nm, supported amount of about 47% by mass) are supported on a carbon support (Ketjen black, specific surface area of about 800 m 2 / g), pure water 2.5 Part by weight, 9 parts by weight of a 5 wt% Nafion TM solution and 1 part by weight of 1-propanol were mixed and dispersed and mixed with a homogenizer to prepare catalyst layer ink A.

次に、カーボン担体(ケッチェンブラック、比表面積約800m/g)上に白金粒子(平均粒子径約3.2nm、担持量約47質量%)を担持した電極触媒2に対し、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクBを調製した。 Next, pure water 2 is applied to the electrode catalyst 2 in which platinum particles (average particle diameter: about 3.2 nm, supported amount: about 47% by mass) are supported on a carbon support (Ketjen black, specific surface area: about 800 m 2 / g). 5 parts by weight, 9 parts by weight of 5 wt% Nafion TM solution and 1 part by weight of 1-propanol were mixed and dispersed and mixed with a homogenizer to prepare catalyst layer ink B.

次に、カーボン担体(ケッチェンブラック、比表面積約800m/g)上に白金粒子(平均粒子径約4.5nm、担持量約47質量%)を担持した電極触媒3に対し、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクCを調製した。 Next, pure water 2 was applied to the electrode catalyst 3 in which platinum particles (average particle diameter of about 4.5 nm, supported amount of about 47% by mass) were supported on a carbon support (Ketjen black, specific surface area of about 800 m 2 / g). 5 parts by weight, 9 parts by weight of a 5 wt% Nafion TM solution and 1 part by weight of 1-propanol were mixed and dispersed and mixed with a homogenizer to prepare catalyst layer ink C.

2.酸化剤極触媒層の作製
上記の通りに調製した触媒層インクA、触媒層インクB、触媒層インクCを用いて酸化剤極触媒層を形成した。本実施例では酸化剤極触媒層の構造を二層構造とするため、以下では、触媒層(1)および触媒層(2)からなる酸化剤極触媒層を作製した。
2. Production of Oxidant Electrode Catalyst Layer Using the catalyst layer ink A, catalyst layer ink B, and catalyst layer ink C prepared as described above, an oxidant electrode catalyst layer was formed. In this example, in order to make the structure of the oxidant electrode catalyst layer into a two-layer structure, an oxidant electrode catalyst layer composed of the catalyst layer (1) and the catalyst layer (2) was prepared below.

まず、触媒層(2)を、厚さ0.08mmのテフロンシート上に、スクリーンプリンターを用いて形成した。触媒層インクの塗布面積を全体で50mm×50mmとし、そのうちの50mm×25mmの部分に触媒層インクAを塗布し、残りの50mm×25mmを触媒層インクBに塗布した後、約25℃で約1時間乾燥させることより、触媒層(2)(厚さ約8μm)を得た。   First, the catalyst layer (2) was formed on a Teflon sheet having a thickness of 0.08 mm using a screen printer. The application area of the catalyst layer ink is 50 mm × 50 mm as a whole, and the catalyst layer ink A is applied to a portion of 50 mm × 25 mm, and the remaining 50 mm × 25 mm is applied to the catalyst layer ink B. By drying for 1 hour, a catalyst layer (2) (thickness: about 8 μm) was obtained.

次に、前記触媒層(2)の触媒層インクAが塗布された部位上に触媒層インクBを塗布した後、前記触媒層(2)の触媒層インクBが塗布された部位上に触媒層インクCを塗布し、約25℃で約1時間乾燥させることより、触媒層(1)(厚さ約8μm)を得た。   Next, after applying the catalyst layer ink B on the portion of the catalyst layer (2) where the catalyst layer ink A is applied, the catalyst layer is applied on the portion of the catalyst layer (2) where the catalyst layer ink B is applied. Ink C was applied and dried at about 25 ° C. for about 1 hour to obtain catalyst layer (1) (thickness: about 8 μm).

3.燃料極触媒層の作製
次に、燃料極触媒層を、厚さ0.08mmのテフロンシート上の50mm×50mmの部分に、スクリーンプリンターを用いて上記調製した触媒層インクAを塗布し、約25℃、約1時間乾燥させた。これにより、クラックが形成されていない燃料極触媒層(厚さ約10μm)の厚さを得た。
3. Preparation of fuel electrode catalyst layer Next, the catalyst layer ink A prepared above was applied to a 50 mm × 50 mm portion on a Teflon sheet having a thickness of 0.08 mm using a screen printer, and about 25 C. for about 1 hour. Thereby, the thickness of the fuel electrode catalyst layer (thickness of about 10 μm) in which no crack was formed was obtained.

4.PEFCの作製
酸化剤極触媒層を形成したテフロンシート、および、燃料極触媒層を形成したテフロンシートで、固体高分子電解質膜(NafionTM111、厚さ25μm、大きさ72mm×72mm)を挟みこみ、2.0MPa、150℃で10分間ホットプレスした後にテフロンシートを剥がし、得られた接合体をさらにカーボン層(カーボンブラック+PTFE粒子)付きカーボンペーパ(厚さ約300μm、大きさ52mm×63mm)を二枚用いて挟持することにより膜電極接合体を得た。
4). Fabrication of PEFC A solid polymer electrolyte membrane (Nafion TM 111, thickness 25 μm, size 72 mm × 72 mm) is sandwiched between a Teflon sheet having an oxidant electrode catalyst layer and a Teflon sheet having a fuel electrode catalyst layer. , 2.0 MPa, hot pressing at 150 ° C. for 10 minutes, and then peeling off the Teflon sheet. The obtained joined body was further coated with carbon paper (thickness about 300 μm, size 52 mm × 63 mm) with a carbon layer (carbon black + PTFE particles). A membrane electrode assembly was obtained by sandwiching two sheets.

膜電極接合体を1対のセパレータで挟持し、PEFCの単セルを作製した。なお、前記セパレータには、サーペンタイン型ガス供給路が設けられており、触媒層(2)において触媒層インクAが塗布された部分がガス供給路の入口側に近接するようにし、触媒層(2)において触媒層インクBで塗布された部分がガス供給路の出口側に近接するようにして、膜電極接合体を1対のセパレータで挟持した。   The membrane electrode assembly was sandwiched between a pair of separators to produce a PEFC single cell. The separator is provided with a serpentine type gas supply path, and a portion of the catalyst layer (2) where the catalyst layer ink A is applied is brought close to the inlet side of the gas supply path, so that the catalyst layer (2 The membrane electrode assembly was sandwiched between a pair of separators so that the portion coated with the catalyst layer ink B was close to the outlet side of the gas supply path.

5.評価
上記で作製したPEFCの初期発電特性および耐久性の評価を下記手順に従って行った。
5. Evaluation Evaluation of initial power generation characteristics and durability of the PEFC produced above was performed according to the following procedure.

(1)初期発電特性
セル温度:70℃、燃料極:水素(60%RH、利用率67%)、酸化剤極:空気(50%RH、利用率40%)、供給ガスは加圧せずに測定した。この条件下で発電試験を行い、0.1A/cmと、1.0A/cmにおける初期セル電圧を測定した。結果を表1に示す。
(1) Initial power generation characteristics Cell temperature: 70 ° C., fuel electrode: hydrogen (60% RH, utilization rate 67%), oxidizer electrode: air (50% RH, utilization rate 40%), supply gas is not pressurized Measured. Performs power generation test under these conditions, a 0.1 A / cm 2, to measure the initial cell voltage at 1.0A / cm 2. The results are shown in Table 1.

(2)耐久性
セル温度:70℃、燃料極:水素(100%RH、500cc/min)、酸化剤極:窒素(100%RH、500cc/min)、供給ガスは加圧せずに測定した。この条件下において、ポテンショスタットを用い、燃料極に対して酸化剤極に0.5Vの電位を5秒印加した後に1.0Vの電位を5秒印加するのを1サイクルとして、10000サイクル後のセル電圧を測定し、10000サイクル後のセル電圧と初期セル電圧との差(Δ)で耐久性の比較を行った。結果を表1に示す。
(2) Durability Cell temperature: 70 ° C., Fuel electrode: Hydrogen (100% RH, 500 cc / min), Oxidant electrode: Nitrogen (100% RH, 500 cc / min), supply gas was measured without pressurization . Under this condition, a potentiostat was used, and a potential of 0.5 V was applied to the oxidizer electrode for 5 seconds and then a potential of 1.0 V was applied to the fuel electrode for 5 seconds, after 10,000 cycles. The cell voltage was measured, and the durability was compared with the difference (Δ) between the cell voltage after 10,000 cycles and the initial cell voltage. The results are shown in Table 1.

(実施例2)
カーボン担体(Vulcan XC−72、比表面積約270m/g)上に白金粒子(平均粒子径約3nm、担持量約47質量%)を担持した電極触媒4 1重量部、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクB’を調製した。
(Example 2)
1 part by weight of electrode catalyst 4 supporting platinum particles (average particle diameter of about 3 nm, supported amount of about 47% by mass) on a carbon support (Vulcan XC-72, specific surface area of about 270 m 2 / g), pure water 2.5 weight 9 parts by weight of a 5 wt% Nafion TM solution and 1 part by weight of 1-propanol were mixed and dispersed and mixed with a homogenizer to prepare catalyst layer ink B ′.

次に、カーボン担体(ケッチェンブラック)を、窒素ガス雰囲気、2000℃、約10時間で、熱処理したカーボン担体(比表面積約120m/g)上に白金粒子(平均粒子径約4.5nm、担持量約47質量%)を担持した電極触媒5に対し、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクC’を調製した。 Next, platinum particles (average particle diameter of about 4.5 nm, on a carbon support (specific surface area of about 120 m 2 / g) on a carbon support (specific surface area of about 120 m 2 / g) heat treated in a nitrogen gas atmosphere at 2000 ° C. for about 10 hours. With respect to the electrode catalyst 5 supporting a supported amount of about 47% by mass), 2.5 parts by weight of pure water, 9 parts by weight of 5 wt% Nafion TM solution, and 1 part by weight of 1-propanol were mixed and dispersed and mixed with a homogenizer. Catalyst layer ink C ′ was prepared.

触媒インクBに代わって触媒インクB’を用い、触媒インクCに代わって触媒インクC’を用いた以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製し、これを評価した。結果を表1に示す。   A PEFC was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the catalyst ink B 'was used in place of the catalyst ink B and the catalyst ink C' was used in place of the catalyst ink C. The results are shown in Table 1.

(実施例3)
実施例2と同様にして触媒層インクB’を調製した。
(Example 3)
A catalyst layer ink B ′ was prepared in the same manner as in Example 2.

次に、カーボン担体(ケッチェンブラック)を、窒素ガス雰囲気、2000℃、約10時間で、熱処理したカーボン担体(比表面積約120m/g)上に白金−コバルト合金粒子(平均粒子径約4nm、担持量約50質量%、Pt:Co質量比3:1)を担持した電極触媒6に対し、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクC’’を調製した。 Next, platinum-cobalt alloy particles (average particle diameter of about 4 nm) are applied on a carbon support (specific surface area of about 120 m 2 / g) which has been heat-treated in a nitrogen gas atmosphere at 2000 ° C. for about 10 hours. In addition, 2.5 parts by weight of pure water and 9 parts by weight of a 5 wt% Nafion TM solution and 1 part by weight of 1-propanol with respect to the electrode catalyst 6 supporting a supported amount of about 50% by weight and a Pt: Co mass ratio of 3: 1) And dispersed and mixed with a homogenizer to prepare catalyst layer ink C ″.

触媒インクBに代わって触媒インクB’を用い、触媒インクCに代わって触媒インクC’’を用いた以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製し、これを評価した。結果を表1に示す。   A PEFC was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the catalyst ink B ′ was used in place of the catalyst ink B and the catalyst ink C ″ was used in place of the catalyst ink C. The results are shown in Table 1.

(実施例4)
実施例1と同様にして触媒層インクAを調製した。
Example 4
Catalyst layer ink A was prepared in the same manner as in Example 1.

次に、カーボン担体(ケッチェンブラック)を、窒素ガス雰囲気、1300℃、約8時間で、熱処理したカーボン担体(比表面積約300m/g)上に白金−コバルト合金粒子(平均粒子径約3.2nm、担持量約47質量%、Pt:Co質量比5:1)を担持した電極触媒7に対し、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクB’’’を調製した。 Next, a platinum-cobalt alloy particle (average particle diameter of about 3) is applied on a carbon support (specific surface area of about 300 m 2 / g) obtained by heat treating a carbon support (Ketjen Black) in a nitrogen gas atmosphere at 1300 ° C. for about 8 hours. .2 nm, supported amount of about 47% by mass, Pt: Co mass ratio of 5: 1) supported electrode catalyst 7, 2.5 parts by weight of pure water, 9 parts by weight of 5 wt% Nafion TM solution, 1-propanol 1 Part by weight was mixed and dispersed and mixed with a homogenizer to prepare catalyst layer ink B ′ ″.

次に、カーボン担体(ケッチェンブラック)を、窒素ガス雰囲気、2000℃、約10時間で、熱処理したカーボン担体(比表面積約120m/g)上に白金−コバルト合金粒子(平均粒子径約4.5nm、担持量約47質量%、Pt:Co質量比3:1)を担持した電極触媒8に対し、純水2.5重量部、5wt%ナフィオンTM溶液を9重量部、1−プロパノール1重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクC’’’を調製した。 Next, platinum-cobalt alloy particles (average particle diameter of about 4) are applied on a carbon support (specific surface area of about 120 m 2 / g) obtained by heat treating a carbon support (Ketjen Black) in a nitrogen gas atmosphere at 2000 ° C. for about 10 hours. 2.5 parts by weight of pure water and 9 parts by weight of 5 wt% Nafion TM solution with respect to the electrode catalyst 8 supporting 5 nm, supported amount of about 47% by mass, and Pt: Co mass ratio of 3: 1), 1-propanol 1 Part by weight was mixed and dispersed and mixed with a homogenizer to prepare catalyst layer ink C ′ ″.

2.酸化剤極触媒層の作製
上記の通りに調製した触媒層インクA、触媒層インクB’’’、触媒層インクC’’’を用いて酸化剤極触媒層を形成した。本実施例では酸化剤極触媒層の構造を二層構造とするため、以下では、触媒層(1)および触媒層(2)からなる酸化剤極触媒層を作製した。
2. Preparation of Oxidant Electrode Catalyst Layer Using the catalyst layer ink A, catalyst layer ink B ′ ″, and catalyst layer ink C ′ ″ prepared as described above, an oxidant electrode catalyst layer was formed. In this example, in order to make the structure of the oxidant electrode catalyst layer into a two-layer structure, an oxidant electrode catalyst layer composed of the catalyst layer (1) and the catalyst layer (2) was prepared below.

まず、触媒層(2)を、厚さ0.08mmのテフロンシート上に、スクリーンプリンターを用いて形成した。触媒層インクの塗布面積を全体で50mm×50mmとし、そのうちの50mm×25mmの部分に触媒層インクAを塗布し、残りの50mm×25mmを触媒層インクB’’’に塗布した後、約25℃で約1時間乾燥させることより、触媒層(2)(厚さ約8μm)を得た。   First, the catalyst layer (2) was formed on a Teflon sheet having a thickness of 0.08 mm using a screen printer. The application area of the catalyst layer ink is 50 mm × 50 mm as a whole, and the catalyst layer ink A is applied to a portion of 50 mm × 25 mm, and the remaining 50 mm × 25 mm is applied to the catalyst layer ink B ′ ″. The catalyst layer (2) (thickness: about 8 μm) was obtained by drying at about 1 hour for about 1 hour.

次に、前記触媒層(2)の触媒層インクAが塗布された部位上に触媒層インクB’’’を塗布した後、前記触媒層(2)の触媒層インクB’’’が塗布された部位上に触媒層インクC’’’を塗布し、約25℃で約1時間乾燥させることより、触媒層(1)(厚さ約8μm)を得た。   Next, after applying the catalyst layer ink B ′ ″ on the portion of the catalyst layer (2) where the catalyst layer ink A is applied, the catalyst layer ink B ′ ″ of the catalyst layer (2) is applied. The catalyst layer ink C ′ ″ was applied onto the dried portion and dried at about 25 ° C. for about 1 hour to obtain a catalyst layer (1) (thickness: about 8 μm).

上記の通りにして酸化剤極触媒層が形成されたテフロンシートを用いた以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製し、これを評価した。結果を表1に示す。   A PEFC was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a Teflon sheet on which an oxidant electrode catalyst layer was formed as described above was used. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
実施例1と同様にして調製した触媒層インクAを、厚さ0.08mmのテフロンシート上の50mm×50mmの部分に、スクリーンプリンターを用いて塗布して約25℃、約1時間乾燥させることにより、酸化剤極触媒層(厚さ15μm)を得た。
(Comparative Example 1)
The catalyst layer ink A prepared in the same manner as in Example 1 is applied to a 50 mm × 50 mm portion on a 0.08 mm thick Teflon sheet using a screen printer and dried at about 25 ° C. for about 1 hour. Thus, an oxidant electrode catalyst layer (thickness: 15 μm) was obtained.

次に、実施例1と同様にして調製した触媒層インクAを、厚さ0.08mmのテフロンシート上の50mm×50mmの部分に、スクリーンプリンターを用いて塗布して約25℃、約1時間乾燥させることにより、燃料極触媒層(厚さ10μm)を得た。   Next, the catalyst layer ink A prepared in the same manner as in Example 1 was applied to a 50 mm × 50 mm portion on a 0.08 mm thick Teflon sheet using a screen printer, and about 25 ° C. for about 1 hour. By drying, a fuel electrode catalyst layer (thickness 10 μm) was obtained.

上記の通りにして各触媒層が形成されたテフロンシートを用いた以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製し、これを評価した。結果を表1に示す。   A PEFC was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a Teflon sheet on which each catalyst layer was formed as described above was used. The results are shown in Table 1.

Figure 2006339125
Figure 2006339125

本発明の固体高分子型燃料電池の断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the polymer electrolyte fuel cell of this invention is shown. 本発明の固体高分子型燃料電池に用いられる触媒層の模式図を示す。The schematic diagram of the catalyst layer used for the polymer electrolyte fuel cell of this invention is shown. 本発明の固体高分子型燃料電池に用いられる触媒層の模式図を示す。The schematic diagram of the catalyst layer used for the polymer electrolyte fuel cell of this invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

100…膜電極接合体、110…高分子電解質膜、120、120aおよび120c…触媒層、120i…入口側触媒層、120e…出口側触媒層、121i…入口側触媒層(1−1)、121e…出口側触媒層(1−2)、122i…入口側触媒層(2−1)、122e…出口側触媒層(2−2)、140aおよび140c…セパレータ、141…ガス供給路、150…固体高分子型燃料電池。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Membrane electrode assembly, 110 ... Polymer electrolyte membrane, 120, 120a and 120c ... Catalyst layer, 120i ... Inlet side catalyst layer, 120e ... Outlet side catalyst layer, 121i ... Inlet side catalyst layer (1-1), 121e ... Exit side catalyst layer (1-2), 122i ... Inlet side catalyst layer (2-1), 122e ... Exit side catalyst layer (2-2), 140a and 140c ... Separator, 141 ... Gas supply path, 150 ... Solid Polymer fuel cell.

Claims (9)

固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質と、を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記触媒粒子の平均粒子径が大きくなる固体高分子型燃料電池。
A membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers is disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by a separator having a gas flow path,
The catalyst layer is a solid polymer fuel cell comprising an electrode catalyst having catalyst particles supported on a carbon support, and a solid polymer electrolyte,
At least one of the catalyst layers is a polymer electrolyte fuel cell in which the average particle diameter of the catalyst particles increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path.
前記触媒層は、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって、前記触媒粒子の平均粒子径が大きくなる請求項1記載の固体高分子型燃料電池。   2. The solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer has an average particle diameter of the catalyst particles that increases from the separator side toward the solid polymer electrolyte membrane side. 固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質と、を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記カーボン担体の結晶性が高くなる固体高分子型燃料電池。
A membrane electrode assembly in which a pair of catalyst layers is disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by a separator having a gas flow path,
The catalyst layer is a solid polymer fuel cell comprising an electrode catalyst having catalyst particles supported on a carbon support, and a solid polymer electrolyte,
At least one of the catalyst layers is a polymer electrolyte fuel cell in which the crystallinity of the carbon support increases from the inlet side to the outlet side of the gas flow path.
前記触媒層は、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって、前記カーボン担体の結晶性が高くなる請求項3記載の固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the catalyst layer has higher crystallinity of the carbon support from the separator side toward the solid polymer electrolyte membrane side. 前記触媒層は、触媒層(1)と触媒層(2)とが、前記触媒層(1)が前記固体高分子電解質膜側に配置されるように、前記膜電極接合体の厚さ方向に積層されてなり、
前記触媒層(1)は、入口側触媒層(1−1)と出口側触媒層(1−2)とが前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記触媒層(2)は、入口側触媒層(2−1)と出口側触媒層(2−2)とが前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記入口側触媒層(2−1)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が2〜4nmであり、
前記出口側触媒層(2−2)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が2.5〜5nmであり、
前記入口側触媒層(1−1)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が2.5〜5nmであり、
前記出口側触媒層(1−2)に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が4〜6nmであり、
前記触媒粒子の平均粒子径は、前記入口側触媒層(1−1)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が大きく、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記出口側触媒層(2−2)の方が大きく、前記入口側触媒層(2−1)よりも前記入口側触媒層(1−1)の方が大きく、前記出口側触媒層(2−2)よりも前記出口側触媒層(1−2)の方が大きい請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
The catalyst layer includes a catalyst layer (1) and a catalyst layer (2) in the thickness direction of the membrane electrode assembly such that the catalyst layer (1) is disposed on the solid polymer electrolyte membrane side. Laminated,
The catalyst layer (1) includes an inlet-side catalyst layer (1-1) and an outlet-side catalyst layer (1-2) arranged in the surface direction of the membrane electrode assembly,
The catalyst layer (2) has an inlet side catalyst layer (2-1) and an outlet side catalyst layer (2-2) arranged in the surface direction of the membrane electrode assembly,
The catalyst particles contained in the inlet catalyst layer (2-1) have an average particle diameter of 2 to 4 nm,
The catalyst particles contained in the outlet catalyst layer (2-2) have an average particle size of 2.5 to 5 nm,
The average particle diameter of the catalyst particles contained in the inlet side catalyst layer (1-1) is 2.5 to 5 nm,
The average particle diameter of the catalyst particles contained in the outlet side catalyst layer (1-2) is 4 to 6 nm,
The average particle diameter of the catalyst particles is larger in the outlet-side catalyst layer (1-2) than in the inlet-side catalyst layer (1-1), and is larger than that in the inlet-side catalyst layer (2-1). The side catalyst layer (2-2) is larger, the inlet side catalyst layer (1-1) is larger than the inlet side catalyst layer (2-1), and the outlet side catalyst layer (2-2). The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the outlet side catalyst layer (1-2) is larger than the outlet side catalyst layer (1-2).
前記触媒粒子は、白金粒子および白金合金粒子を含み、
前記触媒層は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記白金合金粒子の含有率が高くなる請求項1〜5のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
The catalyst particles include platinum particles and platinum alloy particles,
6. The solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer has a higher content of the platinum alloy particles from the inlet side to the outlet side of the gas flow path.
前記触媒層は、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって、前記白金合金粒子の含有率が高くなる請求項6記載の固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the catalyst layer has a higher content of the platinum alloy particles from the separator side toward the solid polymer electrolyte membrane side. 前記触媒層は、前記ガス流路の入口側から出口側にむかって、前記白金合金粒子における白金の質量比が小さくなる請求項6または7に記載の固体高分子型燃料電池。   8. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the catalyst layer has a mass ratio of platinum in the platinum alloy particles that decreases from an inlet side to an outlet side of the gas flow path. 前記触媒層は、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって、前記白金合金粒子における白金の質量比が小さくなる請求項8に記載の固体高分子型燃料電池。   The solid polymer fuel cell according to claim 8, wherein the catalyst layer has a platinum mass ratio in the platinum alloy particles that decreases from the separator side toward the solid polymer electrolyte membrane side.
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