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JP5137387B2 - Method for producing membrane-catalyst layer assembly - Google Patents

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JP5137387B2 JP2006317341A JP2006317341A JP5137387B2 JP 5137387 B2 JP5137387 B2 JP 5137387B2 JP 2006317341 A JP2006317341 A JP 2006317341A JP 2006317341 A JP2006317341 A JP 2006317341A JP 5137387 B2 JP5137387 B2 JP 5137387B2
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Description

本発明は、膜触媒層接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to the production how the membrane-catalyst layer assembly.

燃料電池(FC)は発電効率が高く、環境への負荷も小さいことから、分散型エネルギーシステムとして、今後の普及が見込まれている。なかでも、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質を用いた高分子電解質形燃料電池は、出力密度が高く、その作動温度が低く、小型化が可能であることから、自動車などの移動体、分散発電システムおよび家庭用のコージェネレーションシステムなどに利用されることが期待されている。   Since fuel cells (FC) have high power generation efficiency and a low environmental load, they are expected to spread in the future as distributed energy systems. In particular, polymer electrolyte fuel cells using a polymer electrolyte having cation (hydrogen ion) conductivity have high output density, low operating temperature, and can be miniaturized. It is expected to be used in mobile units, distributed power generation systems, and home cogeneration systems.

高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する空気などの酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。ここで、図17は、従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図18は、図17に示す単電池100に搭載される膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)の基本構成の一例を示す概略断面図であり、図19は、図18に示す膜電極接合体101を構成する膜触媒層接合体(CCM:Catalyst-coated membrane)の一例を示す概略断面図である。   The polymer electrolyte fuel cell generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas such as air containing oxygen. Here, FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a unit cell mounted on a conventional polymer electrolyte fuel cell. 18 is a schematic sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane-electrode assembly (MEA) mounted on the unit cell 100 shown in FIG. 17, and FIG. 19 is shown in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane-catalyst layer assembly (CCM: Catalyst-coated membrane) constituting a membrane electrode assembly 101. FIG.

図19に示すように、膜触媒層接合体102においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜111の両面に、電極触媒(例えば白金系の金属触媒)をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含む触媒層112が形成される。高分子電解質膜111としては、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国Du Pont社製のNafion(商品名)など)が一般的に使用されている。   As shown in FIG. 19, in the membrane-catalyst layer assembly 102, an electrode catalyst (for example, a platinum-based metal catalyst) is supported on carbon powder on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 111 that selectively transports hydrogen ions. A catalyst layer 112 containing the obtained catalyst-supporting carbon and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity is formed. As the polymer electrolyte membrane 111, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (trade name) manufactured by Du Pont, USA) is generally used.

図18に示すように、膜電極接合体101は、触媒層112の外面に、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーを用いて、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層113を形成することによって構成される。この触媒層112とガス拡散層113との組合せにより電極(アノードまたはカソード)114が構成される。さらに、図17に示すように、単電池100は、膜電極接合体101と、ガスケット115と、一対のセパレータ116とで構成される。ガスケット115は、供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、電極の周囲に高分子電解質膜を挟んで配置される。ガスケット115は、電極および高分子電解質膜とあらかじめ一体化されている。なお、高分子電解質膜111、一対の電極114(触媒層112およびガス拡散層113)およびガスケット115を組み合わせたものを膜電極接合体と呼ぶこともある。   As shown in FIG. 18, the membrane electrode assembly 101 is formed by forming a gas diffusion layer 113 having both air permeability and electronic conductivity on the outer surface of the catalyst layer 112 using, for example, carbon paper subjected to water repellent treatment. Consists of. The combination of the catalyst layer 112 and the gas diffusion layer 113 constitutes an electrode (anode or cathode) 114. Furthermore, as shown in FIG. 17, the unit cell 100 includes a membrane electrode assembly 101, a gasket 115, and a pair of separators 116. The gasket 115 is disposed around the electrode with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween in order to prevent leakage and mixing of the supplied fuel gas and oxidant gas to the outside. The gasket 115 is integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane in advance. A combination of the polymer electrolyte membrane 111, the pair of electrodes 114 (the catalyst layer 112 and the gas diffusion layer 113), and the gasket 115 may be referred to as a membrane electrode assembly.

膜電極接合体101の外側には、膜電極接合体101を機械的に固定するための一対のセパレータ116が配置される。セパレータ116の膜電極接合体101と接触する部分には、電極に反応ガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)を供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から電極外部に運び去るためのガス流路117が形成される。ガス流路117はセパレータ116と別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路を形成する方式が一般的である。また、セパレータ116の膜電極接合体101とは反対の側には、溝を設けて、冷却水流路118が形成されている。   A pair of separators 116 for mechanically fixing the membrane electrode assembly 101 is disposed outside the membrane electrode assembly 101. A reaction gas (fuel gas or oxidant gas) is supplied to the electrode of the separator 116 in contact with the membrane electrode assembly 101, and an electrode reaction product and a gas containing an unreacted reaction gas are supplied from the reaction field to the outside of the electrode. A gas flow path 117 is formed for carrying it away. Although the gas channel 117 can be provided separately from the separator 116, a method of forming a gas channel by providing a groove on the surface of the separator is generally used. Further, a groove is provided on the side of the separator 116 opposite to the membrane electrode assembly 101 to form a cooling water flow path 118.

このように、一対のセパレータ116で膜電極接合体101を固定し、一方のセパレータのガス流路に燃料ガスを供給し、他方のセパレータのガス流路に酸化剤ガスを供給することで、数十から数百mA/cm2の実用電流密度通電時において、一つの単電池で0.7〜0.8V程度の起電力を発生させることができる。しかし、通常、高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、単電池を必要とする個数だけ直列に連結してスタックとして使用する。 Thus, the membrane electrode assembly 101 is fixed by the pair of separators 116, the fuel gas is supplied to the gas flow path of one separator, and the oxidant gas is supplied to the gas flow path of the other separator. When a practical current density of 10 to several hundred mA / cm 2 is applied, a single cell can generate an electromotive force of about 0.7 to 0.8V. However, when a polymer electrolyte fuel cell is normally used as a power source, a voltage of several to several hundred volts is required. In practice, the required number of cells are connected in series and stacked. Use as

ガス流路117に反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先を直接セパレータ上のガス流路につなぎ込む部材であるマニホールドが必要となる。特に反応ガスを供給する外部の配管から直接セパレータにつなぎ込むタイプのマニホールドを、外部マニホールドと呼ぶ。一方、より簡単な構造を有する内部マニホールドと呼ばれるものもある。内部マニホールドは、ガス流路を形成したセパレータに設けられた貫通孔で構成され、ガス流路の出入り口をこの孔に連通させて、この貫通孔から直接反応ガスをガス流路に供給することができる。   In order to supply the reaction gas to the gas flow path 117, the reaction gas supply pipe is branched into a number corresponding to the number of separators to be used, and the branch destinations are directly connected to the gas flow path on the separator. A manifold that is a member is required. In particular, a manifold that is directly connected to a separator from an external pipe that supplies reaction gas is called an external manifold. On the other hand, there is a so-called internal manifold having a simpler structure. The internal manifold is composed of a through hole provided in the separator having the gas flow path, and the reaction port can be directly supplied to the gas flow path from the through hole by connecting the inlet / outlet of the gas flow path to the hole. it can.

ガス拡散層113は、主につぎの3つの機能を持つ。第1の機能は、ガス拡散層113の外側に位置するセパレータ116のガス流路から、触媒層112中の電極触媒へ均一に反応ガスを供給するために、該反応ガスを拡散させる機能であり、第2の機能は、触媒層112で反応により生成した水を速やかにガス流路に排出する機能である。また、第3の機能は、反応に必要な電子または生成された電子を伝導する機能である。すなわち、ガス拡散層113には、高い反応ガス透過性、水分排出性および電子伝導性が必要とされる。   The gas diffusion layer 113 mainly has the following three functions. The first function is a function of diffusing the reaction gas in order to uniformly supply the reaction gas from the gas flow path of the separator 116 located outside the gas diffusion layer 113 to the electrode catalyst in the catalyst layer 112. The second function is a function of quickly discharging water generated by the reaction in the catalyst layer 112 to the gas flow path. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction or generated electrons. That is, the gas diffusion layer 113 is required to have high reaction gas permeability, moisture exhaustability, and electronic conductivity.

一般的に、ガス拡散層113には、ガス透過性を持たせるために、カーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材が用いられている。また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層113の中に分散させることが行われ、さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層113を構成することも行われている。ガス拡散層113の触媒層112と接する面には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層が設けられることもある。   In general, the gas diffusion layer 113 is made of carbon fine powder, a pore-forming material, carbon paper, carbon cloth, or the like and has a porous structure so as to have gas permeability. Is used. Further, in order to provide drainage, water-repellent polymer typified by fluororesin is dispersed in the gas diffusion layer 113, and further, carbon fiber, The gas diffusion layer 113 is also made of an electron conductive material such as metal fiber or carbon fine powder. A water repellent carbon layer composed of a water repellent polymer and carbon powder may be provided on the surface of the gas diffusion layer 113 in contact with the catalyst layer 112.

つぎに、触媒層112は、主に4つの機能を持つ。第1の機能は、ガス拡散層113から供給された反応ガスを、触媒層112の反応サイトに供給する機能であり、第2の機能は、電極触媒上での反応に必要な水素イオンまたは生成された水素イオンを伝導する機能である。また、第3の機能は、反応に必要な電子または生成された電子を伝導する機能であり、第4の機能は、高い触媒性能とその広い反応面積によって電極反応を速める機能である。すなわち、触媒層112には、高い反応ガス透過性、水素イオン伝導性、電子伝導性および触媒性能が必要となる。   Next, the catalyst layer 112 mainly has four functions. The first function is a function of supplying the reaction gas supplied from the gas diffusion layer 113 to the reaction site of the catalyst layer 112, and the second function is hydrogen ions or generation necessary for the reaction on the electrode catalyst. It is a function to conduct the generated hydrogen ions. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction or the generated electrons, and the fourth function is a function of accelerating the electrode reaction by high catalyst performance and its wide reaction area. That is, the catalyst layer 112 needs high reaction gas permeability, hydrogen ion conductivity, electron conductivity, and catalyst performance.

一般的に、触媒層112としては、ガス透過能を持たせるために、カーボン微粉末または造孔材を用いて、多孔質構造およびガスチャンネルを有する触媒層が形成されている。また、水素イオン透過能を持たせるために、高分子電解質を触媒層112中の電極触媒近傍に分散させて水素イオンネットワークを形成することが行われている。さらに、電子伝導性を持たせるために、電極触媒の担体としてカーボン微粉末やカーボン繊維などの電子伝導性材料を用い、電子チャンネルを形成することが行われている。また、触媒性能を向上させるために、粒径が数nmの非常に微細な粒子状の電極触媒をカーボン微粉末上に担持させた触媒体を、触媒層112中に高分散させることが行われている。   In general, as the catalyst layer 112, a catalyst layer having a porous structure and a gas channel is formed using carbon fine powder or a pore former so as to have gas permeability. In order to provide hydrogen ion permeability, a polymer electrolyte is dispersed in the vicinity of the electrode catalyst in the catalyst layer 112 to form a hydrogen ion network. Further, in order to provide electron conductivity, an electron channel is formed by using an electron conductive material such as carbon fine powder or carbon fiber as an electrode catalyst carrier. In order to improve the catalyst performance, a catalyst body in which a very fine particle electrode catalyst having a particle size of several nm is supported on a fine carbon powder is highly dispersed in the catalyst layer 112. ing.

ここで、高分子電解質形燃料電池の実用化に向けて、触媒層112について、様々な性能の向上のための検討が行われている。例えば特許文献1においては、触媒層中の触媒利用率を高めるために、カソード、アノードへの触媒分配比をガス濃度比において調整することが提案されている。具体的には、ガス濃度が、カソード側がアノード側よりも高い領域においては、カソード触媒層中の触媒分配率を大きくし、逆に低い領域では、アノード触媒層中の触媒分配率を大きくすること、つまり、触媒層面方向において触媒分配率の異なる電極が提案されている。   Here, for the practical application of the polymer electrolyte fuel cell, studies for improving various performances of the catalyst layer 112 are being conducted. For example, Patent Document 1 proposes adjusting the catalyst distribution ratio to the cathode and the anode in the gas concentration ratio in order to increase the catalyst utilization rate in the catalyst layer. Specifically, in the region where the gas concentration is higher on the cathode side than on the anode side, the catalyst distribution rate in the cathode catalyst layer is increased, and conversely in the region where the gas concentration is lower, the catalyst distribution rate in the anode catalyst layer is increased. That is, electrodes having different catalyst distribution ratios in the catalyst layer surface direction have been proposed.

また、特許文献2においても、触媒層面方向において構成材料組成を変化させた燃料電池セルが提案されている。具体的には、カソード電極内に過度の生成水滞留を抑制することを意図して、カソード触媒層において、酸化剤ガスの出口の近傍に在る触媒層において、酸化剤ガスの入口の近傍に在る触媒層よりも、触媒担持量を増大させる方法が提案されている。
特開平7-169471号公報 特開平8-167416号公報
Patent Document 2 also proposes a fuel cell in which the constituent material composition is changed in the catalyst layer surface direction. Specifically, in the cathode catalyst layer, in the vicinity of the oxidant gas outlet, in the cathode catalyst layer, in the vicinity of the oxidant gas outlet, with the intention of suppressing excessive product water retention in the cathode electrode. There has been proposed a method for increasing the amount of catalyst supported over the existing catalyst layer.
JP 7-169471 A JP-A-8-167416

しかしながら、上述の従来技術は、燃料電池の初期の電池特性の向上、触媒利用の有効利用の観点からの原価の低減を意図して提案されているものであり、FCを長期にわたり運転することを想定した場合の膜電極接合体および膜触媒層接合体、さらには燃料電池の耐久性や寿命特性を向上させることについては十分には検討されていなかった。
具体的には、上記特許文献1および2に、膜電極接合体および膜触媒層接合体の耐久性を向上させるという観点から触媒層を設計する技術についての報告はなく、高寿命で高効率な膜電極接合体、膜触媒層接合体、燃料電池および燃料電池スタックの実現を目指す観点からは未だ改善の余地があった。
However, the above-described prior art has been proposed with the intention of improving the initial cell characteristics of the fuel cell and reducing the cost from the viewpoint of effective utilization of the catalyst. It has not been sufficiently studied to improve the durability and life characteristics of the assumed membrane electrode assembly and membrane catalyst layer assembly as well as the fuel cell.
Specifically, in Patent Documents 1 and 2, there is no report on a technique for designing a catalyst layer from the viewpoint of improving the durability of the membrane electrode assembly and the membrane catalyst layer assembly, and the lifetime is high and the efficiency is high. There is still room for improvement from the viewpoint of realizing a membrane electrode assembly, a membrane catalyst layer assembly, a fuel cell, and a fuel cell stack.

本発明は以上の観点に鑑みてなされたものであり、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池を容易かつ確実に実現し得る膜触媒層接合体および膜電極接合体を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、上記本発明の燃料電池を複数個搭載しており、作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池スタックを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above viewpoints, and even if the fuel cell is repeatedly operated and stopped, the degradation of the polymer electrolyte membrane can be suppressed over a long period of time, and the deterioration of the initial characteristics can be sufficiently prevented. An object of the present invention is to provide a fuel cell having excellent durability.
In addition, the present invention is a fuel having excellent durability that can suppress degradation and degradation of the polymer electrolyte membrane over a long period of time even if the operation and stop of the fuel cell are repeated, and can sufficiently prevent a decrease in initial characteristics. An object of the present invention is to provide a membrane catalyst layer assembly and a membrane electrode assembly capable of easily and reliably realizing a battery.
Further, the present invention is equipped with a plurality of the above fuel cells of the present invention, can suppress degradation and degradation of the polymer electrolyte membrane over a long period of time even if the operation and the stop are repeated, and sufficiently lower the initial characteristics. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack having excellent durability that can be prevented.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質膜に密着して設けられているアノード触媒層およびカソード触媒層が、高分子電解質膜の耐久性に大きく影響を与えている可能性について検討し、触媒層の構成を下記の構成に工夫することにより、膜触媒層接合体の耐久性および膜電極接合体の耐久性を向上させ得ることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、高分子電解質膜と触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、触媒層形成用マスクを配置する工程と、触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、高分子電解質膜の表面にアノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法を提供する。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer provided in close contact with the polymer electrolyte membrane greatly affect the durability of the polymer electrolyte membrane. The durability of the membrane-catalyst layer assembly and the durability of the membrane-electrode assembly can be improved by devising the configuration of the catalyst layer to the following configuration, and the present invention Reached.
That is, the present invention relates to a method for producing a membrane / catalyst layer assembly in which an anode catalyst layer is formed on one surface of a polymer electrolyte membrane and a cathode catalyst layer is formed on the other surface. The step of arranging the catalyst layer forming mask with a gap between the mask and the mask, and applying the ink for forming the catalyst layer by the spray method, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane And a step of forming at least one of them.

本発明に係る膜触媒層接合体においては、アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層の主面の周辺部において、触媒層単位面積あたりの触媒の質量が内側から外側に向けて減少している減少部分が存在する。そして、減少部分は、触媒層を島状に設け、触媒層の厚さが内側から外側に向けて減少するように形成されている。
このようにアノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層を上述の構成とする膜触媒層接合体を燃料電池に用いることにより、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。
より具体的には、本発明に係る膜触媒層接合体を含む燃料電池は、先に述べた減少部分が存在する触媒層を具備しているため、膜電極接合体における高分子電解質膜の分解劣化が抑制され、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって初期特性の低下を充分に防止でき、優れた耐久性を得ることができる。
In the membrane / catalyst layer assembly according to the present invention , the mass of the catalyst per unit area of the catalyst layer is directed from the inside to the outside in the periphery of the main surface of at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. There is a decreasing part that is decreasing. The reduced portion is formed such that the catalyst layer is provided in an island shape and the thickness of the catalyst layer decreases from the inside toward the outside.
As described above, by using the membrane catalyst layer assembly having at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer as described above for the fuel cell, the fuel cell can be operated for a long time even if the fuel cell is repeatedly operated and stopped. It is possible to easily and reliably realize a fuel cell having excellent durability that can suppress degradation and degradation of the molecular electrolyte membrane and can sufficiently prevent deterioration of initial characteristics.
More specifically, since the fuel cell including the membrane-catalyst layer assembly according to the present invention includes the catalyst layer having the reduced portion described above, the polymer electrolyte membrane in the membrane-electrode assembly is decomposed. Deterioration is suppressed, and even if the fuel cell is repeatedly operated and stopped, deterioration of the initial characteristics can be sufficiently prevented over a long period of time, and excellent durability can be obtained.

述の本発明の効果が得られることについての明確なメカニズムは解明されていないが、本発明者らは以下のように推察している。
すなわち、膜電極接合体および膜触媒層接合体の劣化については、主として、高分子電解質膜で進行することが報告されている。具体的には、高分子電解質膜の劣化は、高分子電解質膜のうちの電極の周辺部に接触している部分において特異的に進行することが報告されている(例えば、S. Grot, Abstract p860, Fuel Cell Seminar Nov. 2003)。
なお、高分子電解質膜の劣化の際には、高分子電解質膜の成分元素であるフッ素が、フッ化物イオンとして燃料電池外に排出されるため、排出されるフッ化物イオン量を測定することにより、膜電極接合体および膜触媒層接合体の分解劣化の進行の度合いを定量化し、耐久性能を評価することが可能である(例えば、Wen Liu et. al., J. New Mater. Electrochem. Syst., 4 (2001) 227)。
The clear mechanism for the effect of the present invention the above mentioned is obtained has not been elucidated, the present inventors have presumed as follows.
That is, it has been reported that the deterioration of the membrane electrode assembly and the membrane catalyst layer assembly proceeds mainly in the polymer electrolyte membrane. Specifically, it is reported that the degradation of the polymer electrolyte membrane proceeds specifically in the portion of the polymer electrolyte membrane that is in contact with the peripheral portion of the electrode (for example, S. Grot, Abstract p860, Fuel Cell Seminar Nov. 2003).
When the polymer electrolyte membrane deteriorates, fluorine, which is a component element of the polymer electrolyte membrane, is discharged out of the fuel cell as fluoride ions. Therefore, by measuring the amount of fluoride ions discharged, It is possible to quantify the degree of progress of degradation and degradation of membrane electrode assemblies and membrane catalyst layer assemblies, and to evaluate the durability performance (for example, Wen Liu et. Al., J. New Mater. Electrochem. Syst ., 4 (2001) 227).

上記電極周辺部における高分子電解質膜の劣化に対し、触媒層(アノード触媒層およびカソード触媒層の少なくとも一方)で進行する電極反応の反応熱が大きな影響を及ぼしていると推察される。触媒層周辺部において、触媒層が存在する部分では反応熱が発生し、存在しない部分では反応熱が発生しない。そのため、触媒層の周辺部およびこれに接触する高分子電解質膜の周辺部では、局所間で反応熱の発生する部分と発生しない部分とが存在すること、または、反応熱の大きさの違いが発生することにより、局所間での温度差(特に、主面に平行な面内の方向における局所間での温度差)が生じている。高分子電解質は温度により含水量等の状態変化が生じるため、高分子電解質膜のうちの触媒層周辺部に接触している部分には機械的ストレスがかかり易くなっていると推察される。   It is presumed that the reaction heat of the electrode reaction that proceeds in the catalyst layer (at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer) has a great influence on the deterioration of the polymer electrolyte membrane in the periphery of the electrode. In the periphery of the catalyst layer, reaction heat is generated in the portion where the catalyst layer exists, and no reaction heat is generated in the portion where the catalyst layer does not exist. Therefore, in the peripheral part of the catalyst layer and the peripheral part of the polymer electrolyte membrane in contact therewith, there are portions where the heat of reaction is generated and portions where the heat of reaction is not generated, or there is a difference in the magnitude of the heat of reaction. As a result, a temperature difference between the regions (particularly, a temperature difference between the regions in a direction in a plane parallel to the main surface) occurs. Since the polymer electrolyte undergoes a change in water content and the like depending on the temperature, it is presumed that mechanical stress is easily applied to the portion of the polymer electrolyte membrane that is in contact with the periphery of the catalyst layer.

さらに、触媒層の周辺部においては、ガス拡散層を透過して当該触媒層に入ってくる反応ガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)に加えて、ガス拡散層を通過せず、セパレータのガス流路から電極周辺を廻りこんで当該触媒層に入ってくる反応ガスがある。そのため、触媒層周辺部は、触媒層中心部よりも電極反応が進行しやすく電流集中が起こりやすい。これに伴い、触媒層周辺部は上述の反応熱による劣化がさらに加速される状況であることも推察される。   Further, in the periphery of the catalyst layer, in addition to the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) that permeates the gas diffusion layer and enters the catalyst layer, the gas flow of the separator does not pass through the gas diffusion layer. There is a reaction gas that enters the catalyst layer from the road around the electrode. Therefore, the electrode reaction is more likely to proceed at the periphery of the catalyst layer than at the center of the catalyst layer, and current concentration is likely to occur. In connection with this, it is guessed that deterioration by the above-mentioned reaction heat is further accelerated in the periphery of the catalyst layer.

本発明者らは、触媒層を構成する電極触媒の単位面積あたりの質量を触媒層中心部に対して、周辺部において減少している減少部分が存在するようにすることにより、高分子電解質膜劣化の主要因と考えられる、先に述べた反応熱による局所間での温度差の発生を十分に低減することが可能となると考えている。より具体的には、本発明者らは、触媒層周辺部での触媒量(電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量)の減少により、高分子電解質膜の劣化に寄与する余分な反応熱の発生が十分に低減されるため、触媒層周辺部における局所間での温度差(特に、主面に平行な面内の方向における局所間での温度差)を十分に低減すること(温度変化を十分に緩やかに低減できること)ができ、高分子電解質の周辺部にかかる先に述べた機械的ストレスを十分に低減することができると考えている。
以上より、触媒層中心部に対して、触媒層周辺部における電極触媒量(電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量)を上述のように減少させた触媒層構造を構築することにより、高効率の維持とともに、優れた寿命特性、すなわち高耐久性を同時に実現し得る燃料電池を得ることができる。
The inventors of the present invention provide a polymer electrolyte membrane by causing the mass per unit area of the electrode catalyst constituting the catalyst layer to be reduced in the peripheral portion with respect to the central portion of the catalyst layer. We believe that it will be possible to sufficiently reduce the occurrence of temperature differences between the regions due to the heat of reaction described above, which is considered to be the main cause of deterioration. More specifically, the present inventors have reduced the amount of catalyst in the periphery of the catalyst layer (mass per unit area of the catalyst layer of the electrode catalyst), thereby reducing excess reaction heat that contributes to the deterioration of the polymer electrolyte membrane. Since the generation is sufficiently reduced, the temperature difference between the local areas in the periphery of the catalyst layer (especially the temperature difference between the local areas in the direction parallel to the main surface) should be sufficiently reduced. It is considered that the mechanical stress described above can be sufficiently reduced on the periphery of the polymer electrolyte.
From the above, high efficiency is achieved by constructing a catalyst layer structure in which the amount of electrode catalyst (mass per unit area of the electrode catalyst) is reduced as described above with respect to the center of the catalyst layer. As a result, it is possible to obtain a fuel cell that can simultaneously achieve excellent life characteristics, that is, high durability.

ここで、本発明において、「アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層の主面の周辺部において、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が、内側から外側に向けて減少している減少部分が存在する」状態とは、該当する触媒層を当該触媒層の主面の法線方向に略平行な面で切断した断面でみた場合に、触媒層の周辺部において内側(すなわち、触媒層の主面の中心部側)から外側にかけて、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が概略的に減少している状態を示す。   Here, in the present invention, “the mass per unit area of the catalyst layer of the electrode catalyst decreases from the inner side toward the outer side in the periphery of the main surface of at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. The state where there is a reduced portion that is present is a state in which the corresponding catalyst layer is viewed in a cross section cut in a plane substantially parallel to the normal direction of the main surface of the catalyst layer, and the inner side ( That is, it shows a state in which the mass per unit area of the electrode catalyst is generally reduced from the center side of the main surface of the catalyst layer to the outside.

上記概略的に減少している状態とは、上記断面でみた場合に、内側から外側に向けて、上記電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が不連続に減少している状態である。具体的には、触媒層を上記断面に沿ってみた場合、内側から外側にみて触媒層が局所的にない状態(島状)である(後述の図6に示す状態を参照)。 The state in which decreased the schematic, when viewed above SL cross-section, toward the inside to the outside, situations that der mass per catalyst layer unit area of the electrode catalyst is reduced to discontinuous . Specifically, when the catalyst layer is viewed along the cross section, it is in a state (island shape) where the catalyst layer is not locally seen from the inside to the outside (see the state shown in FIG. 6 described later).

また、本発明において、「アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層の主面の周辺部」とは、該当する触媒層のうちの、「セパレータのガス流路から、ガス拡散層を通過せずに電極周辺を廻りこんでくる反応ガスの進入をうける周辺部分」をいう。
さらに、本発明において、減少部分を有する触媒層の主面の「周辺部」と当該周辺部以外の部分(以下、「中央部」という)は、当該触媒層の側に配置されるセパレータのガス流路に対して以下の位置に位置決めされる部分であることがより好ましい。すなわち、図1を用いて後に説明するように、本発明において、減少部分を有する触媒層は、当該触媒層の側に配置されるセパレータに形成されているガス流路のうちの最も外側にあるガス流路(すなわち、セパレータの主面の中心部からみて最も外側にあるガス流路)の外端を基準にして、当該外端からみて内側(すなわち、触媒層の主面の中心の側)に位置する「中央部」と、当該外端からみて外側(すなわち、触媒層の主面の中心からみて外側)に位置する「周辺部」とに区分されていることが好ましい。
周辺部を上記のように位置決めすることにより、減少部分を有する触媒層のうちのセパレータのガス流路に接触する部分(電極反応が主として進行する部分)に、触媒層の主面の中心部(電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が一定の部分)を配置することができる。
In the present invention, “the peripheral portion of the main surface of at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer” means “gas diffusion from the gas flow path of the separator” of the corresponding catalyst layer. This refers to the “peripheral part where the reactant gas that enters the periphery of the electrode without passing through the layer is exposed”.
Further, in the present invention, the “peripheral portion” of the main surface of the catalyst layer having the reduced portion and the portion other than the peripheral portion (hereinafter referred to as “center portion”) are gasses of the separator disposed on the catalyst layer side. It is more preferable that the portion is positioned at the following position with respect to the flow path. That is, as will be described later with reference to FIG. 1, in the present invention, the catalyst layer having a reduced portion is on the outermost side of the gas flow path formed in the separator disposed on the catalyst layer side. With reference to the outer end of the gas flow path (that is, the gas flow path that is on the outermost side as viewed from the center of the main surface of the separator), the inner side as viewed from the outer end (that is, the center side of the main surface of the catalyst layer) It is preferably divided into a “central portion” located at the outer edge and a “peripheral portion” located on the outer side (that is, the outer side as seen from the center of the main surface of the catalyst layer) from the outer end.
By positioning the peripheral portion as described above, the central portion of the main surface of the catalyst layer (the portion where the electrode reaction mainly proceeds) is brought into contact with the gas flow path of the separator in the catalyst layer having the reduced portion ( A portion having a constant mass per unit area of the catalyst layer of the electrode catalyst can be disposed.

この場合、触媒層のうちの中心部(セパレータのガス流路に接触する部分)を形成するときに、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が一定の触媒層を形成すれば、より容易に触媒層を形成することができる。さらに、製造工程をシンプルにする観点から、触媒層を当該触媒層の構成材料を含む1種類の触媒層形成用インクのみで作製することが好ましいが、この場合には、1種類の触媒層形成用インクを用いて触媒層を形成しても、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が一定でありかつ上記中心部の厚さが一定な触媒層を容易に形成することができる。触媒層の中心部の厚さを一定にすることができると、セパレータとの接触抵抗を低減し易くなる。また、触媒層の中心部の厚さを一定にすることができると、触媒層の中心部の面内において当該面内にかかる締結圧のバラツキを低減し易くなる。そのため高分子電解質膜の特定の部分に大きな締結圧がかかることを防止できるので、良好な耐久性を得易くなる。   In this case, it is easier to form a catalyst layer having a constant mass per unit area of the electrode catalyst when forming the central portion (portion in contact with the gas flow path of the separator) of the catalyst layer. A catalyst layer can be formed. Furthermore, from the viewpoint of simplifying the production process, it is preferable to prepare the catalyst layer with only one type of catalyst layer forming ink containing the constituent material of the catalyst layer. In this case, one type of catalyst layer is formed. Even when the catalyst layer is formed using the ink for a catalyst, it is possible to easily form a catalyst layer having a constant mass per unit area of the electrode catalyst and a constant thickness of the central portion. If the thickness of the central portion of the catalyst layer can be made constant, the contact resistance with the separator can be easily reduced. Further, if the thickness of the central portion of the catalyst layer can be made constant, it is easy to reduce variations in fastening pressure applied to the surface of the central portion of the catalyst layer. Therefore, it is possible to prevent a large fastening pressure from being applied to a specific portion of the polymer electrolyte membrane, and it becomes easy to obtain good durability.

高分子電解質膜の劣化要因である反応熱は、アノードおよびカソード両触媒層で発生している。したがって、上記電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量を触媒層面方向に変化させた触媒層構造を、少なくともアノードまたはカソード触媒層の一方に適用することによって、高分子電解質膜の耐久性は向上する。さらには、上記電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量を触媒層面方向に変化させた触媒層構造を、アノードおよびカソード両触媒層に適用すれば、より効果的に耐久性を向上させることができると考えられる。   Reaction heat, which is a deterioration factor of the polymer electrolyte membrane, is generated in both the anode and cathode catalyst layers. Therefore, the durability of the polymer electrolyte membrane is improved by applying the catalyst layer structure in which the mass per unit area of the electrode catalyst of the electrode catalyst is changed in the catalyst layer surface direction to at least one of the anode and cathode catalyst layers. . Furthermore, if the catalyst layer structure in which the mass per unit area of the electrode catalyst is changed in the catalyst layer surface direction is applied to both the anode and cathode catalyst layers, the durability can be improved more effectively. it is conceivable that.

発明の膜触媒層接合体によれば、アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方の触媒層を上述の構成とすることにより、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止でき、優れた耐久性を有する燃料電池を容易かつ確実に得ることができる。 According to the membrane / catalyst layer assembly of the present invention, at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is configured as described above, so that the polymer can be maintained over a long period of time even when the fuel cell is repeatedly activated and stopped. Degradation and degradation of the electrolyte membrane can be suppressed, and deterioration of the initial characteristics can be sufficiently prevented, and a fuel cell having excellent durability can be obtained easily and reliably.

らに、本発明は、高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、支持体と触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、支持体の表面に触媒層形成用マスクを配置する工程と、触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、支持体表面にアノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、得られた触媒層を高分子電解質膜の表面に接合する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法を提供する。 Et al is, the present invention is a method for producing a membrane catalyst layer assembly for forming a cathode catalyst layer on the anode catalyst layer and the other surface on one surface of the polymer electrolyte membrane, the support and the catalyst layer formed A step of disposing a catalyst layer forming mask on the surface of the support with a gap provided between the mask and a catalyst layer forming ink is applied by a spray method, and an anode catalyst layer and a cathode catalyst are formed on the surface of the support. A method for producing a membrane / catalyst layer assembly comprising a step of forming at least one of the layers and a step of bonding the obtained catalyst layer to the surface of a polymer electrolyte membrane is provided.

本発明によれば、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分に安定な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する燃料電池を得ることができる。
また、本発明によれば、燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池を確実に実現し得る膜触媒層接合体および膜電極接合体を得ることができる。
さらに、本発明によれば、上記燃料電池を複数個搭載しており、作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する燃料電池スタックを構成してもよい。
According to the present invention, even if the fuel cell is repeatedly operated and stopped, the degradation of the polymer electrolyte membrane can be suppressed over a long period of time, and the deterioration of the initial characteristics can be sufficiently prevented, and the battery is sufficiently stable over a long period of time. A fuel cell exhibiting performance and having excellent durability can be obtained.
In addition, according to the present invention, even when the operation and stop of the fuel cell are repeated, the degradation and degradation of the polymer electrolyte membrane can be suppressed over a long period, and the initial characteristics can be sufficiently prevented from being deteriorated. It is possible to obtain a membrane catalyst layer assembly and a membrane electrode assembly that can surely realize the fuel cell having the fuel cell.
Furthermore, according to the present invention, the upper Ki燃 charge batteries has a plurality mounting, it is possible to suppress decomposition deterioration of the polymer electrolyte membrane for a long time even after repeated operation and stopping, and the decrease in initial characteristics A fuel cell stack having excellent durability that can be sufficiently prevented may be configured.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図1は、本発明に係る膜触媒層接合体を含む燃料電池(単電池)の好適な一実施形態の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図2は、図1に示す燃料電池1に搭載される本実施形態の膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)の基本構成の一例を示す概略断面図であり、図3は、図2に示す膜電極接合体10を構成する本実施形態の膜触媒層接合体(CCM:Catalyst-coated membrane)の一例を示す概略断面図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description may be abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a preferred embodiment of a fuel cell (unit cell) including a membrane catalyst layer assembly according to the present invention. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane-electrode assembly (MEA) of the present embodiment mounted on the fuel cell 1 shown in FIG. 1, and FIG. It is a schematic sectional drawing which shows an example of the membrane catalyst layer assembly (CCM: Catalyst-coated membrane) of this embodiment which comprises the membrane electrode assembly 10 shown in FIG.

図3に示すように、本実施形態の膜触媒層接合体20は、主として、略矩形のカソード触媒層12aと、略矩形のアノード触媒層12bと、これらカソード触媒層12aとアノード触媒層12bとの間に配置される略矩形の高分子電解質膜11と、から構成されている。
高分子電解質膜11としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国Du Pont社製のNafion(商品名)、旭化成(株)製のAciplex(商品名)、ジャパンゴアテックス(株)製のGSII(商品名)など)を使用することができる。
As shown in FIG. 3, the membrane / catalyst layer assembly 20 of the present embodiment mainly includes a substantially rectangular cathode catalyst layer 12a, a substantially rectangular anode catalyst layer 12b, and the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b. And a substantially rectangular polymer electrolyte membrane 11 disposed between the two.
The polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited, and a polymer electrolyte membrane mounted on a normal solid polymer fuel cell can be used. For example, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (trade name) manufactured by Du Pont, USA, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., GSII manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd. (product) Name) etc. can be used.

高分子電解質膜11は、固体電解質であり、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。発電中の膜電極接合体20では、アノード触媒層12bで生成する水素イオンは、この高分子電解質膜11中をカソード触媒層12aに向けて移動する。
また、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、およびスルホンイミド基を有するものなどが好ましく挙げられる。水素イオン伝導性の観点から、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。スルホン酸基を有する高分子電解質としては、イオン交換容量が0.5〜1.5meq/g乾燥樹脂であるものことが好ましい。高分子電解質のイオン交換容量が0.5meq/g乾燥樹脂以上であると、発電時に触媒層の抵抗値を低く維持し易いため好ましく、イオン交換容量が1.5meq/g乾燥樹脂以下であると、高分子電解質膜11の含水率を適当に保ちつつ、触媒層(カソード触媒層12a、アノード触媒層12b)中の良好なガス拡散特性を十分に確保しやすいため好ましい。以上と同様の観点から、イオン交換容量は0.8〜1.2meq/g乾燥樹脂が特に好ましい。
The polymer electrolyte membrane 11 is a solid electrolyte and has hydrogen ion conductivity that selectively transports hydrogen ions. In the membrane electrode assembly 20 during power generation, hydrogen ions generated in the anode catalyst layer 12b move in the polymer electrolyte membrane 11 toward the cathode catalyst layer 12a.
Moreover, as a polymer electrolyte which comprises the polymer electrolyte membrane 11, what has a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group as a cation exchange group is mentioned preferably. From the viewpoint of hydrogen ion conductivity, those having a sulfonic acid group are particularly preferred. The polymer electrolyte having a sulfonic acid group preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity of the polymer electrolyte is 0.5 meq / g dry resin or more, it is preferable because the resistance value of the catalyst layer is easily kept low during power generation, and the ion exchange capacity is 1.5 meq / g dry resin or less. The polymer electrolyte membrane 11 is preferable because the moisture content in the catalyst layers (cathode catalyst layer 12a and anode catalyst layer 12b) can be easily secured sufficiently while keeping the moisture content of the polymer electrolyte membrane 11 appropriately. From the same viewpoint as described above, the ion exchange capacity is particularly preferably 0.8 to 1.2 meq / g dry resin.

また、高分子電解質としては、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hで表されるパーフルオロビニル化合物(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0または1を示し、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基を示す。)に基づく重合単位と、CF2=CF2で表されるテトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、を含むパーフルオロカーボン共重合体であることが好ましい。なお、上記フルオロカーボン重合体は、例えばエーテル結合性の酸素原子などを含んでいてもよい。 As the polymer electrolyte, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl compound represented by n -SO 3 H (m is an integer of 0 to 3 , N represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group), and tetrafluoroethylene represented by CF 2 = CF 2 A perfluorocarbon copolymer containing a polymerization unit based on The fluorocarbon polymer may contain, for example, an etheric oxygen atom.

上記パーフルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式(1)〜(3)で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、tは1〜3の整数を示す。
CF2=CFO(CF2q−SO3H ・・・(1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2r−SO3H ・・・(2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF22−SO3 ・・・(3)
Preferable examples of the perfluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (1) to (3). However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 3.
CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 3 H ··· (1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r -SO 3 H ··· (2)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 -SO 3 ··· (3)

また、高分子電解質膜11は、一種または複数種の高分子電解質で構成されていてもよいが、内部に補強体(充填材)を含んでいてもよい。ただし、高分子電解質膜11における上記補強体の配置状態(例えば疎密の程度や規則性)は特に限定されない。
このような補強体を構成する材料としては、特に制限されないが、例えばポリテトラフルオルエチレン、ポリフルオロアルコキシエチレンまたはポリフェニルスルフィドなどが挙げられる。上記補強体の形状も特に制限されないが、例えば、多孔体状の補強体、フィブリル状の補強体、ならびにフィブリル状、繊維状および球状の補強体粒子などが挙げられる。なお、フィブリル状の繊維とは、表面に存在するフィブリル(小繊維)が毛羽立ちささくれた状態(フィブリル化した状態)となっている繊維をいい、各フィブリルの間に微細な空気溝(孔)が形成されている繊維をいう。例えば、セルロース系繊維はすべて、フィブリルが多数集まった束であり、各フィブリルの間には微細な空気溝(孔)がある。
The polymer electrolyte membrane 11 may be composed of one or a plurality of polymer electrolytes, but may include a reinforcing body (filler) inside. However, the arrangement state (for example, the degree of density or regularity) of the reinforcing body in the polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited.
The material constituting such a reinforcing body is not particularly limited, and examples thereof include polytetrafluoroethylene, polyfluoroalkoxyethylene, and polyphenyl sulfide. The shape of the reinforcing body is not particularly limited, and examples thereof include a porous reinforcing body, a fibril-like reinforcing body, and fibril-like, fibrous and spherical reinforcing body particles. Fibril-like fibers are fibers in which fibrils (small fibers) existing on the surface are fluffed (fibrillated), and there are fine air grooves (holes) between each fibril. It refers to the fibers that are formed. For example, all cellulosic fibers are bundles of many fibrils, and there are fine air grooves (holes) between the fibrils.

カソード触媒層12aとアノード触媒層12bとは、主として、電極触媒(例えば白金系の金属触媒)をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とから構成されている。
カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bに含有されて、触媒担持カーボンに付着させる水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、上記高分子電解質膜11を構成する高分子電解質を用いればよい。なお、カソード触媒層12a、アノード触媒層12bおよび高分子電解質膜11を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもかまわない。例えば、米国Du Pont社製のNafion(商品名)、旭硝子(株)製のFlemion(商品名)、旭化成(株)製のAciplex(商品名)等の市販品であってもかまわない。
The cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b are mainly composed of a catalyst-supported carbon obtained by supporting an electrode catalyst (for example, a platinum-based metal catalyst) on carbon powder, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity. Has been.
As the polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity contained in the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b and adhering to the catalyst-supporting carbon, the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 may be used. The polymer electrolyte constituting the cathode catalyst layer 12a, the anode catalyst layer 12b, and the polymer electrolyte membrane 11 may be the same type or different types. For example, commercially available products such as Nafion (trade name) manufactured by Du Pont, USA, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. may be used.

ここで、本実施形態の膜触媒層接合体20においては、上述のように、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bが、カーボン粉末およびカーボン粉末に担持された電極触媒を含む触媒担持カーボンと、触媒担持カーボンに付着した水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、を含んで構成されている。そして、先に説明したように、カソード触媒層12aの周辺部およびアノード触媒層12bの周辺部には、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が、高分子電解質膜11の主面に略平行な方向において内側から外側に向けて概略的に減少している状態の部分(減少部分)が存在している(すなわち、図3において12a1、12a2、12b1および12b2で示される部分が存在している)。 Here, in the membrane catalyst layer assembly 20 of the present embodiment, as described above, the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b include carbon powder and catalyst-supported carbon containing an electrode catalyst supported on the carbon powder, And a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity attached to the catalyst-supporting carbon. As described above, the mass per unit area of the catalyst layer of the electrode catalyst is approximately parallel to the main surface of the polymer electrolyte membrane 11 at the periphery of the cathode catalyst layer 12a and the periphery of the anode catalyst layer 12b. In other directions, there is a portion (decreasing portion) that is generally decreasing from the inside toward the outside (ie, the portions indicated by 12a 1 , 12a 2 , 12b 1, and 12b 2 in FIG. 3). Existing).

本実施形態の膜触媒層接合体20におけるカソード触媒層12a側に代表させて説明する。図1に示すように、燃料電池1のうちのカソード触媒層12aの主面の法線方向に略平行な面で切断した断面でみた場合に、板状のカソード側セパレータ16aに形成されたガス流路17aのうちの最も外側にあるガス流路17a1(すなわち、セパレータ16の主面の中心からみて最も外側にあるガス流路17a1)の外端(図1における点線で示した部分P)を基準にして、当該部分Pからみて内側(すなわち、カソード触媒層12aの主面の中心の側)に位置する「中央部Z」と、当該部分Pからみて外側(すなわち、カソード触媒層12aの主面の中心からみて外側)に位置する「周辺部Y」と、を有する。
なお、アノード触媒層12b側も、カソード触媒層12a側と同様の構成を有している。また、図1における点線で示した部分Qは、カソードガス拡散層13aおよびアノードガス拡散層13bの外端の位置を示している。
すなわち、本実施形態においては、カソードガス拡散層13aおよびアノードガス拡散層13bの外端Qが、セパレータ16に形成されたガス流路17のうちの最も外側に位置するガス流路17a1の外端(部分P)よりも外側に位置し、部分Qと部分Pとの間に周辺部Yが位置している。
A description will be given by taking the cathode catalyst layer 12a side as a representative in the membrane catalyst layer assembly 20 of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the gas formed in the plate-like cathode-side separator 16 a when viewed in a cross section cut along a plane substantially parallel to the normal direction of the main surface of the cathode catalyst layer 12 a of the fuel cell 1. An outer end (portion P indicated by a dotted line in FIG. 1) of the outermost gas channel 17a1 of the channel 17a (that is, the outermost gas channel 17a1 as viewed from the center of the main surface of the separator 16). “Central part Z” located on the inner side (that is, the center side of the main surface of the cathode catalyst layer 12a) as viewed from the part P, and outer side (that is, the main part of the cathode catalyst layer 12a) as viewed from the part P. And “peripheral portion Y” located on the outer side as viewed from the center of the surface.
The anode catalyst layer 12b side has the same configuration as the cathode catalyst layer 12a side. Further, a portion Q indicated by a dotted line in FIG. 1 indicates the positions of the outer ends of the cathode gas diffusion layer 13a and the anode gas diffusion layer 13b.
That is, in the present embodiment, the outer ends Q of the cathode gas diffusion layer 13 a and the anode gas diffusion layer 13 b are the outer ends of the gas flow channels 17 a 1 positioned on the outermost side of the gas flow channels 17 formed in the separator 16. The peripheral portion Y is located between the portion Q and the portion P, located outside the (portion P).

そして、膜触媒層接合体20においては、図3に示すように、カソード触媒層12aの「周辺部の厚さ」およびアノード触媒層12bの「周辺部の厚さ」をそれぞれ内側から外側に向けて減少させている。これにより、カソード触媒層12aの周辺部およびアノード触媒層12bの周辺部に、「電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が内側から外側に向けて概略的に減少している減少部分」が形成されている。
このように、各触媒層の周辺部(カソード触媒層12aの周辺部およびアノード触媒層12bの周辺部)の厚さを内側から外側に向けて減少させる場合の減少のさせ方としては、図3にその一例を示すように、触媒層の厚さが内側から外側に向けて単調に減少(電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が単調に減少)していてもよい(図3のように略直線的に減少してもよく、また、略曲線状に減少してもよい)。
In the membrane catalyst layer assembly 20, as shown in FIG. 3, the “peripheral thickness” of the cathode catalyst layer 12a and the “peripheral thickness” of the anode catalyst layer 12b are directed from the inside to the outside, respectively. Is decreasing. As a result, a “reduced portion where the mass per unit area of the catalyst layer of the electrode catalyst is generally decreased from the inside toward the outside” is formed in the periphery of the cathode catalyst layer 12a and the periphery of the anode catalyst layer 12b. Has been.
As described above, the method of reducing the thickness when the thickness of the periphery of each catalyst layer (the periphery of the cathode catalyst layer 12a and the periphery of the anode catalyst layer 12b) is decreased from the inside toward the outside is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the thickness of the catalyst layer may be monotonously decreased from the inside to the outside (the mass per unit area of the electrode catalyst is monotonously reduced) (as shown in FIG. 3). It may decrease in a substantially linear manner or in a substantially curvilinear manner).

図3においては、カソードガス拡散層12aの中央部Zの外端(部分P)を起点とした、上記減少部分の外端までの距離(上記略矩形の一辺に対して略垂直な方向における距離)Sは、部分Pから部分Qまでの距離と一致しているが、部分Pを起点とした上記減少部分の距離Sは、必ずしも部分Pから部分Qまでの距離と一致しておらず短くてもよい。すなわち、カソードガス拡散層12aの主面の周辺部に沿って、部分Pを起点として距離Sは当該部分Pから部分Qまでの間で変動していてもよい。   In FIG. 3, the distance from the outer end (part P) of the central portion Z of the cathode gas diffusion layer 12a to the outer end of the reduced portion (distance in a direction substantially perpendicular to one side of the substantially rectangular shape). ) S coincides with the distance from the portion P to the portion Q, but the distance S of the decreasing portion starting from the portion P does not necessarily coincide with the distance from the portion P to the portion Q, and is short. Also good. That is, the distance S may vary from the portion P to the portion Q starting from the portion P along the periphery of the main surface of the cathode gas diffusion layer 12a.

周辺部Yのうちの減少部分の主面上における配置状態については、以下の条件を満たす状態であることが好ましい。すなわち、図4に示すように、略矩形のカソード触媒層12aの主面の周辺部Yの4辺をそれぞれ4等分することにより、当該周辺部Yを16等分して得られる16個の単位周辺部Y1〜Y16のそれぞれにおいて、カソードガス拡散層12aの中央部Zの外端(部分P)を起点とした、上記減少部分の外端までの距離Sのうちの最長距離が200〜1250μmであり、かつ上記減少部分の外端部までの距離Sのうちの最短距離が0〜200μmであることが好ましい。
なお、図4は、図3における矢印Rの方向からみた膜触媒層接合体20の概略正面図である。図4は、触媒層の周辺部において内側から外側に向けて触媒担持量が減少する減少部分の有無を検証する好適な方法の一例を説明するための図でもある。
About the arrangement | positioning state on the main surface of the reduced part of the peripheral part Y, it is preferable that it is the state which satisfy | fills the following conditions. That is, as shown in FIG. 4, the four sides of the peripheral portion Y of the main surface of the substantially rectangular cathode catalyst layer 12a are each divided into four equal parts to obtain 16 pieces obtained by dividing the peripheral portion Y into 16 equal parts. In each of the unit peripheral parts Y 1 to Y 16 , the longest distance among the distances S from the outer end (part P) of the central part Z of the cathode gas diffusion layer 12a to the outer end of the reduced part is 200. It is preferable that the shortest distance among the distances S to the outer end of the reduced portion is 0 to 200 μm.
4 is a schematic front view of the membrane catalyst layer assembly 20 as viewed from the direction of the arrow R in FIG. FIG. 4 is also a diagram for explaining an example of a suitable method for verifying the presence or absence of a decreasing portion in which the catalyst loading amount decreases from the inside toward the outside in the peripheral portion of the catalyst layer.

また、各触媒層の周辺部の厚さを内側から外側に向けて減少させる場合の減少のさせ方としては、図3で示した方法以外にも、例えば図5〜7に示すように、各触媒層の周辺部の内側から外側に向けて触媒層の厚さが全体として(電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が全体として減少)していれば、カソード触媒層12aの厚さおよびアノード触媒層12bの厚さが増加している部分が一部存在する状態を含むようにして減少させるようにしてもよい。   In addition to the method shown in FIG. 3, for example, as shown in FIGS. 5 to 7, each method for reducing the thickness in the case where the thickness of the peripheral portion of each catalyst layer is reduced from the inside toward the outside is shown in FIGS. If the thickness of the catalyst layer as a whole (the mass per unit area of the catalyst layer of the electrode catalyst decreases as a whole) from the inside to the outside of the periphery of the catalyst layer, the thickness of the cathode catalyst layer 12a and the anode You may make it reduce so that the part in which the thickness of the catalyst layer 12b is increasing partly exists may be included.

以下、図5〜7を用いて具体的に説明する。図5は、カソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)の要部を拡大した要部拡大断面図である。図5に示すように、カソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)においては、カソード触媒層12aの内側から外側に向けて、矢印Xで示すようにカソード触媒層12aの厚さが概略的に減少していればよい。しかし、本発明の効果を得られる範囲においてならば、カソード触媒層12aの厚さが、部分的に、内側(矢印αで示される部分)より外側(矢印βで示される部分)のカソード触媒層12aの厚さが増加している状態を含んでいてもよい。また、本発明の効果を得られる範囲においてならば、カソード触媒層12aの厚さが概略的に減少していれば、部分的に、内側(矢印αで示される部分)より外側(矢印βで示される部分)のカソード触媒層12aの厚さが変化せず一定の状態を含んでいてもよい。カソード触媒層12aの周辺部12a2、アノード触媒層12bの周辺部12b1および12b2についても同様である。ただし、作製プロセス簡略化の観点からは、単調に減少している状態が望ましい。 Hereinafter, it demonstrates concretely using FIGS. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a main part in which a main part of the peripheral part 12a 1 (Y) of the cathode catalyst layer 12a is enlarged. As shown in FIG. 5, in the peripheral portion 12a 1 (Y) of the cathode catalyst layer 12a, the thickness of the cathode catalyst layer 12a is roughly as shown by an arrow X from the inside to the outside of the cathode catalyst layer 12a. As long as it has decreased. However, as long as the effects of the present invention can be obtained, the cathode catalyst layer 12a has a thickness that is partially outside (indicated by arrow α) and outside (indicated by arrow β). The state where the thickness of 12a is increasing may be included. Further, within the range where the effects of the present invention can be obtained, if the thickness of the cathode catalyst layer 12a is substantially reduced, it is partially outside (indicated by the arrow β) outside (indicated by the arrow α). The thickness of the cathode catalyst layer 12a of the portion shown in FIG. The same applies to the peripheral portion 12a 2 of the cathode catalyst layer 12a and the peripheral portions 12b 1 and 12b 2 of the anode catalyst layer 12b. However, from the viewpoint of simplifying the manufacturing process, a monotonically decreasing state is desirable.

また、図6は、カソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)の変形例の態様の要部を拡大した要部拡大断面図である。図6に示すように、カソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)を当該カソード触媒層12aの主面の法線方向に略平行な面で切断した断面でみた場合に、触媒層を島状に設けて矢印Xで示すように内側から外側にみて触媒層が局所的にない状態を形成してもよい。これにより、カソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)の厚さが全体として概略的に減少する状態を形成してもよい。カソード触媒層12aの周辺部12a2、アノード触媒層12bの周辺部12b1および12b2についても同様である。 FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a main part in which a main part of a modified example of the peripheral part 12a 1 (Y) of the cathode catalyst layer 12a is enlarged. As shown in FIG. 6, when the peripheral portion 12a 1 (Y) of the cathode catalyst layer 12a is viewed in a cross section cut along a plane substantially parallel to the normal direction of the main surface of the cathode catalyst layer 12a, the catalyst layer is As shown by an arrow X, a state may be formed in which the catalyst layer is not locally seen from the inside to the outside. Thus, the thickness of the peripheral portion 12a of the cathode catalyst layer 12a 1 (Y) may form a state that schematically reduced as a whole. The same applies to the peripheral portion 12a 2 of the cathode catalyst layer 12a and the peripheral portions 12b 1 and 12b 2 of the anode catalyst layer 12b.

図7は、カソード触媒層12aの周辺部12a1の別の変形例の態様の要部を拡大した要部拡大断面図である。図7に示すように、カソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)を当該カソード触媒層12aの主面の法線方向に略平行な面で切断した断面でみた場合に、周辺部12a1(Y)の厚さと中央部Zの厚さを略一致させつつ、周辺部12a1(Y)における触媒密度を矢印Xで示すように内側から外側にみて概略的に減少する状態を形成してもよい。カソード触媒層12aの周辺部12a2、アノード触媒層12bの周辺部12b1および12b2についても同様である。 FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a main part in which a main part of another modification of the peripheral part 12a 1 of the cathode catalyst layer 12a is enlarged. As shown in FIG. 7, when the peripheral portion 12a 1 (Y) of the cathode catalyst layer 12a is viewed in a cross section cut along a plane substantially parallel to the normal direction of the main surface of the cathode catalyst layer 12a, the peripheral portion 12a 1 While the thickness of (Y) and the thickness of the central portion Z are substantially matched, a state in which the catalyst density in the peripheral portion 12a 1 (Y) is substantially reduced as seen from the inside to the outside as indicated by an arrow X is formed. Also good. The same applies to the peripheral portion 12a 2 of the cathode catalyst layer 12a and the peripheral portions 12b 1 and 12b 2 of the anode catalyst layer 12b.

なお、本実施形態においては、電極触媒の担持体であるカーボン粉末の単位面積あたりの質量は、触媒層の周辺部において内側から外側に向けて、電極触媒質量と比例して減少しても、減少しなくてもかまわない。また、触媒層中に存在する高分子電解質の単位面積あたりの質量は、触媒層の周辺部において内側から外側に向けて、電極触媒質量に比例して減少していても、減少していなくてもかまわない。水素イオン伝導およびフラッディングの観点からは、触媒担持カーボンの質量に比例した増減が好ましい。   In the present embodiment, the mass per unit area of the carbon powder that is the electrode catalyst carrier is decreased in proportion to the electrode catalyst mass from the inside toward the outside in the peripheral part of the catalyst layer. It does not matter if it does not decrease. Further, the mass per unit area of the polymer electrolyte present in the catalyst layer is not decreased even if it decreases in proportion to the electrode catalyst mass from the inside to the outside in the peripheral part of the catalyst layer. It doesn't matter. From the viewpoint of hydrogen ion conduction and flooding, an increase / decrease proportional to the mass of the catalyst-supporting carbon is preferable.

カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bにおける担体であるカーボン粉末(導電性カーボン粒子)としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料であるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。   The carbon powder (conductive carbon particles) that is a carrier in the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b is preferably a carbon material having conductive pores, such as carbon black, activated carbon, carbon fiber, and the like. Carbon tubes or the like can be used. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Activated carbon can be obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms.

カーボン粉末の比表面積が50〜1500m2/gであることが好ましい。比表面積50m2/g以上であると、電極触媒の担持率を上げることが容易であり、得られたカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの出力特性をより十分に確保できることから好ましく、比表面積が1500m2/g以下であると、十分な大きさの細孔をより容易に確保できるようになりかつ高分子電解質による被覆がより容易となり、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの出力特性をより十分に確保できることから好ましい。上記と同様の観点から、比表面積は200〜900m2/gが特に好ましい。 The specific surface area of the carbon powder is preferably 50 to 1500 m 2 / g. A specific surface area of 50 m 2 / g or more is preferable because it is easy to increase the loading ratio of the electrode catalyst, and the output characteristics of the obtained cathode catalyst layer 12a and anode catalyst layer 12b can be more sufficiently secured. Is 1500 m 2 / g or less, sufficiently large pores can be secured more easily and coating with a polymer electrolyte becomes easier, and the output characteristics of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b are improved. It is preferable because it can be sufficiently secured. From the same viewpoint as described above, the specific surface area is particularly preferably 200 to 900 m 2 / g.

カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bに用いる電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される1種以上の金属と、白金と、の合金であるのが好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。
さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bに同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。
As an electrode catalyst used for the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b, it is preferable to use platinum or a platinum alloy. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, and tin. An alloy of at least one metal selected from the group consisting of platinum and platinum is preferable. The platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and the metal.
Furthermore, an electrode catalyst mixture obtained by mixing an electrode catalyst made of platinum and an electrode catalyst made of a platinum alloy may be used. Even if the same electrode catalyst is used for the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b, different electrode catalysts may be used. It may be used.

また、電極触媒の一次粒子径は、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bを高活性とするために、1〜20nmであることが好ましく、特に、反応活性を増大させるために表面積を大きく確保することが可能であるという観点から、2〜10nmであることが好ましい。
触媒担持カーボンの触媒担持率(触媒担持カーボンの全質量に対する、担持されている電極触媒の質量の割合)は、20〜80質量%であればよく、特に40〜60質量%であるのが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように触媒担持率が20質量%以上であると、充分な電池出力をより確実に得ることができ、80質量%以下であると、電極触媒の粒子を分散性よくカーボン粉末に担持させることができ、触媒有効面積をより増大させることができる。
The primary particle diameter of the electrode catalyst is preferably 1 to 20 nm in order to make the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b highly active, and in particular, a large surface area is secured to increase the reaction activity. From the viewpoint of being possible, it is preferably 2 to 10 nm.
The catalyst loading rate of the catalyst-carrying carbon (ratio of the mass of the supported electrode catalyst to the total mass of the catalyst-carrying carbon) may be 20 to 80% by mass, and particularly preferably 40 to 60% by mass. . Within this range, high battery output can be obtained. As described above, when the catalyst loading is 20% by mass or more, sufficient battery output can be obtained more reliably, and when it is 80% by mass or less, the electrode catalyst particles are supported on the carbon powder with good dispersibility. And the effective catalyst area can be further increased.

カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bに含有されて、上記触媒担持カーボンに付着させる水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質を用いればよい。なお、カソード触媒層12a、アノード触媒層12bおよび高分子電解質膜11を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもかまわない。例えば、米国Du Pont社製のNafion(商品名)、旭硝子(株)製のFlemion(商品名)、旭化成(株)製のAciplex(商品名)等の市販品であってもかまわない。   As the polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity contained in the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b and adhering to the catalyst-supporting carbon, a polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 may be used. The polymer electrolyte constituting the cathode catalyst layer 12a, the anode catalyst layer 12b, and the polymer electrolyte membrane 11 may be the same type or different types. For example, commercially available products such as Nafion (trade name) manufactured by Du Pont, USA, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. may be used.

上記高分子電解質は、触媒担持カーボン粒子を被覆し、3次元に水素イオン伝導経路を確保するために、触媒層を構成する触媒担持カーボンの質量に比例して添加することが望ましい。
具体的には、触媒層を構成する高分子電解質質量は、触媒担持カーボン質量に対して0.2倍以上2.0倍以下であることが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように高分子電解質の質量が0.2倍以上であると、十分な水素イオン伝導性を確保しやすく、2.0倍以下であると、フラッディングの回避がより容易に可能となり、より高い電池出力を実現することができる。
The polymer electrolyte is preferably added in proportion to the mass of the catalyst-carrying carbon constituting the catalyst layer in order to cover the catalyst-carrying carbon particles and secure a three-dimensional hydrogen ion conduction path.
Specifically, the mass of the polymer electrolyte constituting the catalyst layer is preferably 0.2 times or more and 2.0 times or less with respect to the mass of the catalyst-supporting carbon. Within this range, high battery output can be obtained. As described above, if the mass of the polymer electrolyte is 0.2 times or more, sufficient hydrogen ion conductivity is easily secured, and if it is 2.0 times or less, flooding can be avoided more easily. High battery output can be realized.

なお、本実施形態のカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bにおいては、上記高分子電解質が、触媒担持カーボン粒子表面に部分的に付着していればよく、すなわち触媒担持カーボン粒子の少なくとも一部を被覆していればよく、必ずしも触媒担持カーボン粒子全体を被覆していなくともよい。もちろん、上記高分子電解質が、触媒担持カーボン粒子表面の全体を被覆していてもよい。   In the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b of this embodiment, it is sufficient that the polymer electrolyte is partially attached to the surface of the catalyst-carrying carbon particles, that is, at least a part of the catalyst-carrying carbon particles. What is necessary is just to coat | cover and it does not necessarily need to coat | cover the whole catalyst carrying | support carbon particle. Of course, the polymer electrolyte may cover the entire surface of the catalyst-supporting carbon particles.

つぎに、図2に示すように、本実施形態における膜電極接合体10は、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bそれぞれの外側に、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーを用いて、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層13を形成されて構成される。カソード触媒層12aとガス拡散層13との組合せによりカソード14aが構成され、アノード触媒層12bとガス拡散層13との組合せによりアノード14bが構成されている。   Next, as shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 10 according to the present embodiment uses, for example, carbon paper that has been subjected to water repellent treatment on the outer sides of the cathode catalyst layer 12 a and the anode catalyst layer 12 b. In addition, a gas diffusion layer 13 having both electron conductivity is formed. A cathode 14 a is configured by a combination of the cathode catalyst layer 12 a and the gas diffusion layer 13, and an anode 14 b is configured by a combination of the anode catalyst layer 12 b and the gas diffusion layer 13.

ガス拡散層13としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層13の中に分散させてもよい。電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層13を構成してもよい。さらに、ガス拡散層13のカソード触媒層12aまたはアノード触媒層12bと接する面には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。   As the gas diffusion layer 13, a conductive material having a porous structure produced using carbon fine powder having a developed structure structure, a pore former, carbon paper, carbon cloth, or the like in order to provide gas permeability. A substrate can be used. In order to provide drainage, a water repellent polymer such as a fluororesin may be dispersed in the gas diffusion layer 13. In order to impart electron conductivity, the gas diffusion layer 13 may be made of an electron conductive material such as carbon fiber, metal fiber, or carbon fine powder. Furthermore, a water repellent carbon layer composed of a water repellent polymer and carbon powder may be provided on the surface of the gas diffusion layer 13 that is in contact with the cathode catalyst layer 12a or the anode catalyst layer 12b. The same gas diffusion layer or different gas diffusion layers may be used on the cathode side and the anode side.

図1に示すように、本実施形態における燃料電池1は、膜電極接合体10と、ガスケット15と、一対のセパレータ16(アノード側セパレータ16bおよびカソード側セパレータ16a)とで構成される。ガスケット15は、供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、カソード14aおよびアノード14bの周囲に高分子電解質膜11を挟んで配置される。ガスケット15は、カソード14aまたはアノード14bおよび高分子電解質膜11とあらかじめ一体化され、これらすべてを組み合わせたものを膜電極接合体10と呼ぶこともある。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 according to the present embodiment includes a membrane electrode assembly 10, a gasket 15, and a pair of separators 16 (an anode side separator 16b and a cathode side separator 16a). The gasket 15 is disposed around the cathode 14a and the anode 14b with the polymer electrolyte membrane 11 interposed therebetween in order to prevent leakage and mixing of the supplied fuel gas and oxidant gas to the outside. The gasket 15 is integrated with the cathode 14a or the anode 14b and the polymer electrolyte membrane 11 in advance, and a combination of these may be referred to as a membrane electrode assembly 10.

膜電極接合体10の外側には、膜電極接合体10を機械的に固定するための一対のセパレータ16(アノード側セパレータ16bおよびカソード側セパレータ16a)が配置されている。セパレータ16の膜電極接合体10と接触する部分には、カソード14aに酸化剤ガスを供給し、アノード14bに燃料ガスを供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場からカソード14aおよびアノード14b外部に運び去るためのガス流路17(アノード側セパレータ16bに形成されるガス流路17bおよびカソード側セパレータ16aに形成されるガス流路17b)が形成されている。ガス流路17はセパレータ16と別に設けることもできるが、図1においてはセパレータ16の表面に溝を設けてガス流路17が形成されている。また、セパレータ16の膜電極接合体10と反対の側には、切削により溝を設けて冷却水流路18が形成された構成を有する。   A pair of separators 16 (an anode side separator 16b and a cathode side separator 16a) for mechanically fixing the membrane electrode assembly 10 are disposed outside the membrane electrode assembly 10. In the portion of the separator 16 that contacts the membrane electrode assembly 10, an oxidant gas is supplied to the cathode 14 a, a fuel gas is supplied to the anode 14 b, and an electrode reaction product and a gas containing an unreacted reaction gas are supplied to the reaction field. Gas passages 17 (a gas passage 17b formed in the anode-side separator 16b and a gas passage 17b formed in the cathode-side separator 16a) for carrying away from the cathode 14a and the anode 14b are formed. The gas flow path 17 can be provided separately from the separator 16, but in FIG. 1, the gas flow path 17 is formed by providing a groove on the surface of the separator 16. Further, the side of the separator 16 opposite to the membrane electrode assembly 10 has a configuration in which a coolant channel 18 is formed by providing a groove by cutting.

このように、一対のセパレータ16で膜電極接合体10を固定し、一方のアノード側セパレータ16bのガス流路17bに燃料ガスを供給し、他方のカソード側セパレータ16aのガス流路17aに酸化剤ガスを供給することで、数十から数百mA/cm2の実用電流密度通電時において、一つの燃料電池1で0.7〜0.8V程度の起電力を発生させることができる。ただし、通常、高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、燃料電池1を必要とする個数だけ直列に連結して燃料電池スタック(後述する図12)として使用する。 Thus, the membrane electrode assembly 10 is fixed by the pair of separators 16, the fuel gas is supplied to the gas flow path 17b of one anode side separator 16b, and the oxidant is supplied to the gas flow path 17a of the other cathode side separator 16a. By supplying gas, an electromotive force of about 0.7 to 0.8 V can be generated in one fuel cell 1 when a practical current density of several tens to several hundred mA / cm 2 is applied. However, in general, when a polymer electrolyte fuel cell is used as a power source, a voltage of several volts to several hundred volts is required. Therefore, in actuality, the required number of fuel cells 1 are connected in series. It is used as a fuel cell stack (FIG. 12 described later).

ガス流路17に反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ16の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先を直接セパレータ16上のガス流路17につなぎ込む部材であるマニホールドが必要となるが、本発明においては、外部マニホールドと内部マニホールドのいずれを採用することも可能である。   In order to supply the reaction gas to the gas channel 17, the piping for supplying the reaction gas is branched into a number corresponding to the number of separators 16 to be used, and the branch destinations are directly connected to the gas channel 17 on the separator 16. However, in the present invention, either an external manifold or an internal manifold can be employed.

ここで、図8は、図1に示した燃料電池1のアノード側セパレータ16bの主面を冷却水流路18側から見た場合の正面図であり、図9は、図1に示した燃料電池1のアノード側セパレータ16aの主面をガス流路17b側から見た場合の正面図である。また、図10は、図1に示した燃料電池1のカソード側セパレータ16aの主面をガス流路17a側から見た場合の正面図であり、図11は、図1に示した燃料電池1のカソード側セパレータ16aの主面を冷却水流路18側から見た場合の正面図である。   Here, FIG. 8 is a front view when the main surface of the anode separator 16b of the fuel cell 1 shown in FIG. 1 is viewed from the cooling water flow path 18 side, and FIG. 9 is the fuel cell shown in FIG. It is a front view at the time of seeing the main surface of 1 anode side separator 16a from the gas channel 17b side. FIG. 10 is a front view when the main surface of the cathode separator 16a of the fuel cell 1 shown in FIG. 1 is viewed from the gas flow path 17a side, and FIG. 11 is the fuel cell 1 shown in FIG. It is a front view at the time of seeing the main surface of the cathode side separator 16a from the cooling water flow path 18 side.

図1に示す1つの燃料電池1が出力できる電圧値は限られるため(理論上、還元剤に水素ガス、酸化剤に酸素を用いた場合には約1.23V)、使用環境に応じて所望の出力電圧を得る観点から、燃料電池1は、図12に示す燃料電池スタック30を構成する単電池として用いられる。特に図12に示す燃料電池スタック30の場合、これを構成する全ての燃料電池1が図1に示す燃料電池1となっている。図12は、図1に示す本実施形態の燃料電池1を複数個積層して構成されている燃料電池スタックの一実施形態の構成を示す概略断面図である。   Since the voltage value that can be output by one fuel cell 1 shown in FIG. 1 is limited (theoretically, when hydrogen gas is used as the reducing agent and oxygen is used as the oxidizing agent, about 1.23 V), it is desirable depending on the use environment. The fuel cell 1 is used as a single cell constituting the fuel cell stack 30 shown in FIG. In particular, in the case of the fuel cell stack 30 shown in FIG. 12, all the fuel cells 1 constituting this are the fuel cells 1 shown in FIG. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of one embodiment of a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells 1 of the present embodiment shown in FIG.

図12に示すように、燃料電池スタック30は、複数の膜電極接合体10間にアノード側セパレータ16bおよびカソード側セパレータ16aを介在させ、複数の膜電極接合体10を電気的に直列に積層して得られる。この場合、燃料電池スタック30を構成するには、外部のガスライン(図示せず)を通じて燃料電池スタック30に供給される反応ガスをさらに分岐して各膜電極接合体10に供給するためのマニホールド、各膜電極接合体10から排出さられるガスをまとめて燃料電池スタック30の外部に排出するためのマニホールド、外部の冷却水ライン(図示せず)を通じて燃料電池スタック30に供給される冷却水を必要な数に分岐させてアノード側セパレータ16bおよびカソード側セパレータ16aのうちの少なくとも1つに供給するためのマニホールドが必要となる。   As shown in FIG. 12, the fuel cell stack 30 includes a plurality of membrane electrode assemblies 10 that are electrically stacked in series by interposing an anode side separator 16b and a cathode side separator 16a between the plurality of membrane electrode assemblies 10. Obtained. In this case, in order to configure the fuel cell stack 30, a manifold for further branching the reaction gas supplied to the fuel cell stack 30 through an external gas line (not shown) and supplying it to each membrane electrode assembly 10. , A manifold for collectively discharging the gas discharged from each membrane electrode assembly 10 to the outside of the fuel cell stack 30, and cooling water supplied to the fuel cell stack 30 through an external cooling water line (not shown). A manifold for branching to the required number and supplying to at least one of the anode side separator 16b and the cathode side separator 16a is required.

そこで、図8〜図11に示すように、アノード側セパレータ16bおよびカソード側セパレータ16aには、燃料ガス供給用マニホールド孔24、燃料ガス排出用マニホールド孔25、冷却水供給用マニホールド孔26、冷却水排出用マニホールド孔27、酸化剤ガス供給用マニホールド孔28、および酸化剤ガス排出用マニホールド孔29が設けられている。   Therefore, as shown in FIGS. 8 to 11, the anode separator 16b and the cathode separator 16a are provided with a fuel gas supply manifold hole 24, a fuel gas discharge manifold hole 25, a cooling water supply manifold hole 26, and a cooling water. A discharge manifold hole 27, an oxidant gas supply manifold hole 28, and an oxidant gas discharge manifold hole 29 are provided.

燃料電池1のアノード側セパレータ16bにおいて、冷却水流路18の一端は冷却水供給用マニホールド孔26に接続され他端が冷却水排出用マニホールド孔27に接続されている。さらに、燃料電池1のアノード側セパレータ16bにおいて、ガス流路17bの一端は燃料ガス供給用マニホールド孔24に接続され他端が燃料ガス排出用マニホールド孔25に接続されている。また、燃料電池1のカソード側セパレータ16aにおいて、冷却水流路18の一端は冷却水供給用マニホールド孔26に接続され他端が冷却水排出用マニホールド孔27に接続されている。さらに、燃料電池1のカソード側セパレータ16aにおいて、ガス流路17aの一端は酸化剤ガス供給用マニホールド孔28に接続され他端が酸化剤ガス排出用マニホールド孔29に接続されている。すなわち、本実施形態の燃料電池10はセパレータ中にマニホールドを有するいわゆる「内部マニホールド型」の構成を有している。   In the anode separator 16 b of the fuel cell 1, one end of the cooling water passage 18 is connected to the cooling water supply manifold hole 26 and the other end is connected to the cooling water discharge manifold hole 27. Further, in the anode separator 16 b of the fuel cell 1, one end of the gas flow path 17 b is connected to the fuel gas supply manifold hole 24 and the other end is connected to the fuel gas discharge manifold hole 25. In the cathode separator 16 a of the fuel cell 1, one end of the cooling water flow path 18 is connected to the cooling water supply manifold hole 26 and the other end is connected to the cooling water discharge manifold hole 27. Further, in the cathode side separator 16 a of the fuel cell 1, one end of the gas flow path 17 a is connected to the oxidant gas supply manifold hole 28 and the other end is connected to the oxidant gas discharge manifold hole 29. That is, the fuel cell 10 of the present embodiment has a so-called “internal manifold type” configuration having a manifold in the separator.

図8に示すアノード側セパレータ16bにおいて、限られた大きさのアノード側セパレータ16bの主面(略矩形状の主面)を有効に利用するため、冷却水流路18はサーペンタイン構造を有している。より詳しく説明すると、冷却水流路18は水平方向(図8のアノード側セパレータ16bにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔24および酸化剤ガス供給用マニホールド孔28が設けられている部分側の辺に略平行な方向)に延びる13本の直線部77a(長い流路)と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する12本のターン部77b(短い流路)とを有する。   In the anode side separator 16b shown in FIG. 8, the cooling water flow path 18 has a serpentine structure in order to effectively use the main surface (substantially rectangular main surface) of the anode side separator 16b having a limited size. . More specifically, the cooling water flow path 18 is in the horizontal direction (in the anode side separator 16b of FIG. 8, substantially parallel to the side of the portion where the fuel gas supply manifold hole 24 and the oxidant gas supply manifold hole 28 are provided. 13 straight portions 77a (long flow paths) extending in the same direction) and 12 turn portions 77b (short flow paths) connecting the ends of the adjacent straight portions from the upstream side to the downstream side.

また、図9に示すアノード側セパレータ16bにおいて、限られた大きさのアノード側セパレータ16bの主面を有効に利用するため、ガス流路17bもサーペンタイン構造を有している。より詳しく説明すると、ガス流路17bは、水平方向(図9のアノード側セパレータ16bにおいて酸化剤ガス供給用マニホールド孔28および燃料ガス供給用マニホールド孔24が設けられている部分側の辺に略平行な方向)に延びる11本の直線部L1(長い流路)と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する10本のターン部S1(短い流路)とを有している。   Further, in the anode side separator 16b shown in FIG. 9, the gas flow path 17b also has a serpentine structure in order to effectively use the main surface of the anode side separator 16b having a limited size. More specifically, the gas flow path 17b is substantially parallel to the side in the horizontal direction (on the side of the anode side separator 16b in FIG. 9 where the oxidant gas supply manifold hole 28 and the fuel gas supply manifold hole 24 are provided). 11 straight portions L1 (long flow paths) extending in the same direction) and 10 turn portions S1 (short flow paths) connecting the ends of the adjacent straight portions from the upstream side to the downstream side. .

さらに、図10に示すように、カソード側セパレータ16aにおけるガス流路17aもサーペンタイン構造を有している。すなわち、ガス流路17aは、水平方向(図10のカソード側セパレータ16aにおいて酸化剤ガス供給用マニホールド孔28および燃料ガス供給用マニホールド孔24が設けられている部分側の辺に略平行な方向)に延びる11本の直線部L2(長い流路)と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する10本のターン部S2(短い流路)とを有する。   Furthermore, as shown in FIG. 10, the gas flow path 17a in the cathode side separator 16a also has a serpentine structure. That is, the gas flow path 17a is in the horizontal direction (a direction substantially parallel to the side of the portion where the oxidant gas supply manifold hole 28 and the fuel gas supply manifold hole 24 are provided in the cathode side separator 16a in FIG. 10). 11 straight portions L2 (long flow paths) extending in the direction of 10 and 10 turn portions S2 (short flow paths) connecting the ends of the adjacent straight portions from the upstream side to the downstream side.

さらに、図11に示すように、カソード側セパレータ16aにおける冷却水流路18もサーペンタイン構造を有している。すなわち、冷却水流路18は、水平方向(図11のカソード側セパレータ16aにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔24および酸化剤ガス供給用マニホールド孔28が設けられている部分側の辺に略平行な方向)に延びる13本の直線部77a(長い流路)と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する12本のターン部77b(短い流路)とを有する。   Furthermore, as shown in FIG. 11, the cooling water flow path 18 in the cathode side separator 16a also has a serpentine structure. That is, the cooling water flow path 18 is in the horizontal direction (a direction substantially parallel to the side of the portion where the fuel gas supply manifold hole 24 and the oxidant gas supply manifold hole 28 are provided in the cathode separator 16a of FIG. 11). 13 straight portions 77a (long flow paths) extending in the direction of 12 and 12 turn portions 77b (short flow paths) connecting the ends of the adjacent straight portions from the upstream side to the downstream side.

図12に示すように、本実施形態の燃料電池スタック30においては、これを構成する燃料電池1のアノード側セパレータ16bおよびカソード側セパレータ16aの複数の燃料ガス供給用マニホールド孔24が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド(図示せず)が形成されている。また、燃料電池スタック30においては、これを構成する燃料電池1のアノード側セパレータ16bおよびカソード側セパレータ16aの複数の燃料ガス排出用マニホールド孔25が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド(図示せず)が形成されている。さらに、燃料電池スタック30においては、冷却水供給用マニホールド孔26、冷却水排出用マニホールド孔27、酸化剤ガス供給用マニホールド孔28、および酸化剤ガス排出用マニホールド孔29についても、上述の燃料ガス供給用マニホールドと同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド(図示せず)が形成されている。   As shown in FIG. 12, in the fuel cell stack 30 of the present embodiment, a plurality of fuel gas supply manifold holes 24 of the anode side separator 16b and the cathode side separator 16a of the fuel cell 1 constituting the fuel cell stack 30 are continuously stacked. In this state, a fuel gas supply manifold (not shown) is formed. Further, in the fuel cell stack 30, a plurality of fuel gas discharge manifold holes 25 of the anode-side separator 16b and the cathode-side separator 16a of the fuel cell 1 constituting the fuel cell stack 30 are combined in a continuously stacked state to form fuel gas. A discharge manifold (not shown) is formed. Further, in the fuel cell stack 30, the above-described fuel gas is also applied to the cooling water supply manifold hole 26, the cooling water discharge manifold hole 27, the oxidant gas supply manifold hole 28, and the oxidant gas discharge manifold hole 29. Similar to the supply manifold, a plurality of manifold holes are combined in a continuously stacked state to form a manifold (not shown).

つぎに、本実施形態の燃料電池1の製造方法について説明する。
本実施形態におけるカソード触媒層12aならびにアノード触媒層12bは、複数の触媒層形成用インクを用いて形成することができる。触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、高分子電解質を溶解可能または分散可能(高分子電解質の一部が溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む)であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。分散媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコールおよびtert―ブチルアルコールのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの水およびアルコールは単独でも使用してもよく、2種以上混合してもよい。アルコールは、分子内にOH基を1つ有する直鎖のものが特に好ましく、エタノールが特に好ましい。このアルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。
Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 of the present embodiment will be described.
The cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b in this embodiment can be formed using a plurality of catalyst layer forming inks. The dispersion medium used to prepare the ink for forming the catalyst layer may be a polymer electrolyte that can be dissolved or dispersible (part of the polymer electrolyte is dissolved and the other part is dispersed without being dissolved) It is preferable to use a liquid containing an alcohol. The dispersion medium preferably contains at least one of water, methanol, ethanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol and tert-butyl alcohol. These water and alcohol may be used alone or in combination of two or more. The alcohol is particularly preferably a straight chain having one OH group in the molecule, and ethanol is particularly preferable. This alcohol includes those having an ether bond such as ethylene glycol monomethyl ether.

また、触媒層形成用インクの組成は、カソード触媒層12aまたはアノード触媒層12bの構成に応じて、適宜調整すればよいが、固形分濃度0.1〜20質量%であることが好ましい。固形分濃度が0.1質量%以上であると、触媒層形成用インクの噴霧または塗布により触媒層を作製するにあたり、より少ない回数の噴霧または塗布で所定の厚さの触媒層を得ることができ生産効率が良くなる。また、固形分濃度が20質量%以下であると、混合液の粘度が適度になり、均一な触媒層が得られ好ましい。固形分濃度で1〜10質量%であることが特に好ましい。   Further, the composition of the ink for forming the catalyst layer may be appropriately adjusted according to the configuration of the cathode catalyst layer 12a or the anode catalyst layer 12b, but the solid content concentration is preferably 0.1 to 20% by mass. When the solid content concentration is 0.1% by mass or more, a catalyst layer having a predetermined thickness can be obtained by spraying or applying a smaller number of times when the catalyst layer is produced by spraying or applying the catalyst layer forming ink. Production efficiency. Moreover, when the solid content concentration is 20% by mass or less, the viscosity of the mixed solution becomes appropriate, and a uniform catalyst layer is obtained. The solid content concentration is particularly preferably 1 to 10% by mass.

触媒層形成用インク(カソード触媒層12a形成用インクおよびアノード触媒層12b形成用インク)は、従来公知の方法に基づいて調製することができる。具体的には、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押出すことで分散液にせん断力を付与する方法などが挙げられる。   The ink for forming the catalyst layer (the ink for forming the cathode catalyst layer 12a and the ink for forming the anode catalyst layer 12b) can be prepared based on a conventionally known method. Specifically, a method using a stirrer such as a homogenizer or a homomixer, a method using high-speed rotation such as using a high-speed rotating jet flow method, or a high-pressure emulsifying apparatus or the like is used to push the dispersion from a narrow part. The method of giving a shearing force to a dispersion liquid by taking out is mentioned.

上記触媒層形成用インクを用いてカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bを形成する際には、高分子電解質膜11に対して、直接形成する直接塗布法であっても間接的に形成する間接塗布方法のいずれを採用することも可能である。塗布法としては、スクリーン印刷法、ダイコート法、スプレー法およびインクジェット法などが挙げられる。間接塗布法としては、例えばポリプロピレンまたはポリエチレンテレフタラート製の支持体上に、上記の方法でカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bを形成した後、熱転写により、高分子電解質膜11上に形成する方法が挙げられる。また、図6に示す本実施形態の膜電極接合体10を得る場合には、ガス拡散層13上へカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bを形成した後、高分子電解質膜11と接合してもかまわない。   When the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b are formed using the catalyst layer forming ink, the indirect formation method is indirectly applied to the polymer electrolyte membrane 11 even if the direct coating method is used. Any of the application methods can be employed. Examples of the coating method include a screen printing method, a die coating method, a spray method, and an ink jet method. As an indirect coating method, for example, a cathode catalyst layer 12a and an anode catalyst layer 12b are formed by the above-described method on a support made of polypropylene or polyethylene terephthalate, and then formed on the polymer electrolyte membrane 11 by thermal transfer. Is mentioned. When the membrane electrode assembly 10 of the present embodiment shown in FIG. 6 is obtained, the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b are formed on the gas diffusion layer 13 and then joined to the polymer electrolyte membrane 11. It doesn't matter.

本実施形態の一例として、触媒層インクの塗布量をカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部において内側から外側に向けて減少させることで、各触媒層の周辺部の厚さを減少させてもよい(各触媒層の周辺部の単位面積あたりの触媒質量を減少させてもよい)。例えば、スプレー法により塗布する場合であれば、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの面方向で塗布回数を変えること、または、触媒層インク塗布量を変化させることにより、上記各触媒層の周辺部の厚さ(各触媒層の周辺部の単位面積あたりの触媒質量)がカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部において内側から外側に向けて減少する触媒層構造を実現してもよい。   As an example of this embodiment, the thickness of the peripheral portion of each catalyst layer is reduced by decreasing the coating amount of the catalyst layer ink from the inner side to the outer side in the peripheral portion of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b. (The catalyst mass per unit area in the periphery of each catalyst layer may be reduced). For example, in the case of application by a spray method, by changing the number of times of application in the surface direction of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b, or changing the amount of ink applied to the catalyst layer, The catalyst layer structure in which the thickness of the part (the catalyst mass per unit area of the peripheral part of each catalyst layer) decreases from the inside toward the outside in the peripheral part of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b may be realized. .

カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの塗布エリアを規定するためには、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bを塗布する高分子電解質膜または基材上に所望するカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの形状に合わせてマスクを配置する。カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12b形状は、上記マスクに予めカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12b形状を打ち抜くことにより規定しても、マスクの配置により規定してもかまわない。なお、マスクは、被塗布物との密着性を考慮し、ポリエチレンテレフタラート、ポリプロピレン、カプトン、または金属等のフィルム状のものを用いることが一般的である。   In order to define the application area of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b, the desired cathode catalyst layer 12a and anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane or substrate on which the cathode catalyst layer 12a and anode catalyst layer 12b are applied. A mask is arranged in accordance with the shape of 12b. The shapes of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b may be defined by punching the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b in advance in the mask, or may be defined by the arrangement of the mask. Note that the mask is generally a film of polyethylene terephthalate, polypropylene, kapton, or metal in consideration of adhesion to an object to be coated.

本実施形態のカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bは、一例として、図13に示す構造を有するマスクを用いて形成することができる。図13は、本実施形態において用いることのできるマスクと、高分子電解質膜11(または支持体)と、これらの位置関係とを示す概略断面図である。図13に示すような断面を有するマスク19aを使用し、高分子電解質膜11とマスク19bとを密着させて固定し、上記触媒層形成用インクを噴霧により塗布すれば、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部において上記各触媒層の周辺部の厚さを内側から外側に向けて減少させることが可能である(各触媒層の周辺部の単位面積あたりの触媒質量を内側から外側に向けて減少させることが可能である)。   As an example, the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b of this embodiment can be formed using a mask having the structure shown in FIG. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a mask that can be used in this embodiment, the polymer electrolyte membrane 11 (or support), and their positional relationship. When the mask 19a having a cross section as shown in FIG. 13 is used, the polymer electrolyte membrane 11 and the mask 19b are adhered and fixed, and the ink for forming the catalyst layer is applied by spraying, the cathode catalyst layer 12a and the anode In the periphery of the catalyst layer 12b, the thickness of the periphery of each catalyst layer can be decreased from the inside to the outside (the catalyst mass per unit area of the periphery of each catalyst layer is increased from the inside to the outside). Can be reduced towards).

さらに、本実施形態のカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bは、他の例として、図14に示す構造を有するマスクを用いても形成することができる。図14は、本実施形態において用いることのできるマスクと、高分子電解質膜11(または支持体)と、これらの位置関係とを示す概略断面図である。図14に示すような断面を有するマスク19bを使用し、高分子電解質膜11とマスク19bとを密着させずに隙間を介して固定し、上記触媒層形成用インクを噴霧により塗布すれば、各触媒層の周辺部の単位面積あたりの触媒質量をカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部において内側から外側に向けて減少させることが可能である。すなわち、マスク19bと高分子電解質膜11との間の隙間に触媒層形成用インクが入り込み、各触媒層の周辺部の単位面積あたりの触媒質量をカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部において内側から外側に向けて減少させることが可能である。   Furthermore, as another example, the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b of the present embodiment can be formed using a mask having the structure shown in FIG. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a mask that can be used in this embodiment, the polymer electrolyte membrane 11 (or support), and their positional relationship. If a mask 19b having a cross section as shown in FIG. 14 is used, the polymer electrolyte membrane 11 and the mask 19b are fixed through a gap without being in close contact, and the catalyst layer forming ink is applied by spraying, The catalyst mass per unit area in the periphery of the catalyst layer can be decreased from the inside toward the outside in the periphery of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b. That is, the ink for forming the catalyst layer enters the gap between the mask 19b and the polymer electrolyte membrane 11, and the catalyst mass per unit area of the periphery of each catalyst layer is determined as the periphery of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b. It is possible to decrease from the inside toward the outside.

さらに、本実施形態の一例として、触媒層インク組成を変化させることで、上記単位面積あたりの触媒質量が減少する触媒層構造を実現してもよい。具体的には、塗布する触媒層インクを構成する触媒担持カーボンにおける触媒担持率を、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部において内側から外側に向けて低下させることで、上記触媒質量の減少が実現可能である。この場合、先に説明したように、各触媒層の周辺部の厚さを内側から外側に向けて減少させず、各触媒層の周辺部の厚さを略一定の厚さとした状態で各触媒層の周辺部の単位面積あたりの触媒質量を内側から外側に向けて減少させることが可能である。   Furthermore, as an example of this embodiment, a catalyst layer structure in which the catalyst mass per unit area is reduced may be realized by changing the catalyst layer ink composition. Specifically, by reducing the catalyst supporting rate in the catalyst supporting carbon constituting the catalyst layer ink to be applied from the inner side toward the outer side in the peripheral part of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b, the catalyst mass can be increased. A reduction is feasible. In this case, as described above, the thickness of the peripheral portion of each catalyst layer is not decreased from the inside to the outside, and the thickness of the peripheral portion of each catalyst layer is set to a substantially constant thickness. It is possible to reduce the catalyst mass per unit area at the periphery of the layer from the inside to the outside.

また、本実施形態においては、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの厚さ方向において、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bを構成する材料組成の異なる層構造が形成されていてもよく、この場合、各層は直接塗布法、間接塗布法いずれの方法で形成されてもよい。
熱転写および接合の方法としては従来公知の方法を用いればよく、先に述べたように、アノード触媒層およびカソード触媒層のうちの少なくとも一方において、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が、カソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部において内側から外側に向けて減少している減少部分が存在すること、を実現できる限りは、製造方法を適宜設計変更することも可能である。
In the present embodiment, layer structures having different material compositions constituting the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b may be formed in the thickness direction of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b. In this case, each layer may be formed by either a direct coating method or an indirect coating method.
A conventionally known method may be used as the thermal transfer and bonding method. As described above, in at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, the mass per unit area of the catalyst layer of the electrode catalyst is the cathode. As long as it is possible to realize that there are reduced portions that decrease from the inside toward the outside in the peripheral portions of the catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b, the design of the manufacturing method can be appropriately changed.

また、上記以外の方法として、全体において略均一の厚さを有するカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bを形成した後、触媒層形成用インクをカソード触媒層12aおよびアノード触媒層12bの周辺部に、例えば島状に分散・塗布させることによって、内側から外側に向けて減少している減少部分を形成してもよい。   Further, as a method other than the above, after the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b having a substantially uniform thickness as a whole are formed, the ink for forming the catalyst layer is applied to the periphery of the cathode catalyst layer 12a and the anode catalyst layer 12b. For example, a decreasing portion that decreases from the inside toward the outside may be formed by dispersing and applying in an island shape.

ここで、実施形態の一例として下記実施例1で作製された膜触媒層接合体20を高分子電解質膜11の主面に対する略法線方向からみた光学顕微鏡像のうちの、カソード触媒層12aの周辺部12a1を含む部分を図15に示す。また、下記比較例1で作製された従来の膜触媒層接合体を高分子電解質膜111の主面に対する略法線方向からみた光学顕微鏡像のうちの、カソード触媒層112aの周辺部を含む部分を図16に示す。
なお、下記実施例1の膜触媒層接合体20は、高分子電解質膜11と図14に示すマスク19bを密着していない状態(すなわち隙間を設けて)で、スプレーにより高分子電解質膜11に触媒層形成用インクを塗布して作成したものであり、下記比較例1の膜触媒層接合体は、高分子電解質膜111と図14に示すマスク19bを予め熱圧着により密着した状態で、スプレーにより高分子電解質膜111に触媒層形成用インクを塗布して作成したものである。触媒層塗布に関わる条件は、上記マスク密着性を除いて、スプレーに使用した触媒層インクおよびスプレー回数等同等である。
Here, as an example of the embodiment, the membrane catalyst layer assembly 20 produced in Example 1 below is an example of an optical microscope image of the cathode catalyst layer 12a of the main surface of the polymer electrolyte membrane 11 as viewed from a substantially normal direction. A portion including the peripheral portion 12a 1 is shown in FIG. In addition, the portion including the peripheral portion of the cathode catalyst layer 112a in the optical microscopic image of the conventional membrane-catalyst layer assembly produced in Comparative Example 1 described below viewed from the direction substantially normal to the main surface of the polymer electrolyte membrane 111. Is shown in FIG.
In the membrane catalyst layer assembly 20 of Example 1 below, the polymer electrolyte membrane 11 and the mask 19b shown in FIG. 14 are not in close contact (that is, provided with a gap). The membrane / catalyst layer assembly of Comparative Example 1 below was prepared by applying the ink for forming the catalyst layer and sprayed with the polymer electrolyte membrane 111 and the mask 19b shown in FIG. Thus, a catalyst layer forming ink is applied to the polymer electrolyte membrane 111. The conditions relating to the application of the catalyst layer are the same as the catalyst layer ink used for spraying and the number of sprays, etc., except for the mask adhesion.

図15に示すように、本実施形態の一例においては、カソード触媒層12aの周辺部12a1において内側、すなわち図14におけるマスク19bのPで示される部分によって規定されたカソード触媒層12aの中心部の外周部を示す部分Pから、外側に向けて、約300μmの間で単位面積あたりの触媒質量が減少していることがわかる。さらに、300μm以上外側の領域においても触媒が飛散している。この触媒層飛散領域(減少部分)は部分Pより約700μmの領域である。すなわち、部分Pを起点とした上記減少部分の距離Sは約700μmである。
ここで、触媒層の単位面積あたりの触媒質量が減少している周辺部12a1の幅(面方向)と上記飛散領域の幅(面方向)との合計は、カソード側触媒層12aの中心部の厚さ以上であることが好ましい。このように周辺部12a1の幅(面方向)と上記飛散領域の幅(面方向)との合計が、カソード側触媒層12aの中心部の厚さ以上であると、作製プロセスにより生じる触媒層周辺部の欠け等の破損の影響が少なく、良好な電池特性の発揮が可能である
As shown in FIG. 15, in an example of this embodiment, the central portion of the cathode catalyst layer 12a defined by the inside of the peripheral portion 12a 1 of the cathode catalyst layer 12a, that is, the portion indicated by P of the mask 19b in FIG. It can be seen that the catalyst mass per unit area decreases from about 300 μm toward the outer side from the portion P indicating the outer peripheral portion. Further, the catalyst is scattered in the region outside 300 μm or more. This catalyst layer scattering region (decreasing portion) is a region of about 700 μm from the portion P. That is, the distance S of the reduced portion starting from the portion P is about 700 μm.
Here, the sum of the width (surface direction) of the peripheral portion 12a 1 where the catalyst mass per unit area of the catalyst layer is reduced and the width (surface direction) of the scattering region is the center of the cathode side catalyst layer 12a. It is preferable that it is more than this thickness. As described above, when the sum of the width (surface direction) of the peripheral portion 12a 1 and the width (surface direction) of the scattering region is equal to or greater than the thickness of the central portion of the cathode-side catalyst layer 12a, the catalyst layer generated by the production process. It is less affected by damage such as chipping at the periphery, and can exhibit good battery characteristics.

また、上述のように、部分Pで示されるカソード側触媒層12aの中央部Zの外端部は、図2および図3に示すように、部分Qで示される位置にあるガス拡散層13aの外端部よりも内側(すなわち高分子電解質膜11の中心部側)に存在することが好ましい。このように、カソード側触媒層12aの中央部Zの外端部がガス拡散層13aの外端部よりも内側に存在すると、触媒反応による反応熱がガス拡散層13aを通して放熱可能であり、より長寿命な電池特性を確実に得ることができる。
なお、ここでは、図15を用いてカソード側触媒層12aの周辺部12a1についてのみ説明したが、カソード側触媒層12aの他の周辺部12a2、およびアノード側触媒層12bの周辺部12b1および12b2についても同様である。
Further, as described above, the outer end portion of the central portion Z of the cathode-side catalyst layer 12a indicated by the portion P is located at the position indicated by the portion Q of the gas diffusion layer 13a as shown in FIGS. It is preferable that it exists inside the outer end portion (that is, the central portion side of the polymer electrolyte membrane 11). As described above, when the outer end portion of the central portion Z of the cathode side catalyst layer 12a exists inside the outer end portion of the gas diffusion layer 13a, the reaction heat due to the catalytic reaction can be dissipated through the gas diffusion layer 13a. Long-life battery characteristics can be obtained with certainty.
Here, although only describes the peripheral portion 12a1 of the cathode-side catalyst layer 12a with reference to FIG. 15, other peripheral portions 12a 2, and the anode side peripheral portion 12b of the catalyst layer 12b 1 and the cathode-side catalyst layer 12a The same applies to 12b 2 .

以上のような本発明の最大の特徴である触媒層が、膜触媒層接合体20、膜電極接合体10および燃料電池1に使用されているか否か、以下の方法によって確認することが可能である。
電子線マイクロアナライザー(EPMA)による断面観察によれば、触媒層中の電極触媒である白金などの原子の定量が可能である。さらには、二次イオン質量分析装置(SIMS)、X線回折装置(XRD)、発光分析装置(OES)、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)、波長分散型蛍光X線分析装置(XRF)などによっても、触媒の原子(元素)の定量分析が可能であり、触媒層面方向の単位面積あたりの触媒金属の分布を測定することが可能である。
Whether or not the catalyst layer which is the greatest feature of the present invention as described above is used in the membrane catalyst layer assembly 20, the membrane electrode assembly 10 and the fuel cell 1 can be confirmed by the following method. is there.
According to cross-sectional observation with an electron beam microanalyzer (EPMA), it is possible to quantify atoms such as platinum as an electrode catalyst in the catalyst layer. Furthermore, secondary ion mass spectrometer (SIMS), X-ray diffractometer (XRD), emission analyzer (OES), energy dispersive X-ray fluorescence analyzer (EDX), wavelength dispersive X-ray fluorescence analyzer (XRF) ) And the like, it is possible to quantitatively analyze the atoms (elements) of the catalyst, and it is possible to measure the distribution of the catalyst metal per unit area in the catalyst layer surface direction.

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、本発明の膜触媒層接合体20、膜電極接合体10および燃料電池1においては、カソード側触媒層およびアノード側触媒層のうちの少なくとも一方において、電極触媒の触媒層単位面積あたりの質量が、カソード側触媒層およびアノード側触媒層のうちの少なくとも一方の周辺部において内側から外側に向けて減少していればよい。より効果的には、カソード側触媒層およびアノード側触媒層の両方において、上記電極触媒が減少している触媒層構造であることが望ましい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment.
For example, in the membrane catalyst layer assembly 20, the membrane electrode assembly 10, and the fuel cell 1 of the present invention, the mass per unit area of the electrode catalyst catalyst layer in at least one of the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer. However, it is only necessary to decrease from the inner side toward the outer side in the peripheral part of at least one of the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer. More effectively, it is desirable to have a catalyst layer structure in which the electrode catalyst is reduced in both the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer.

先に述べた、本発明に係る膜触媒層接合体を含む高分子電解質形燃料電池の好適な一実施形態においては、1個の燃料電池1のみからなる高分子電解質形燃料電池について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない In the above-described preferred embodiment of the polymer electrolyte fuel cell including the membrane catalyst layer assembly according to the present invention , the polymer electrolyte fuel cell including only one fuel cell 1 has been described. However, the present invention is not limited to this .

また、上記実施形態においては、アノード側のセパレータ16とカソード側のセパレータ16の両方に冷却水流路18を設ける態様を説明したが、少なくとも一方のセパレータ16に冷却水流路18を設ける構成であってもよい。特に、複数の燃料電池1を積層して得られるスタックを本発明の高分子電解質形燃料電池として用いる場合は、2〜3個の燃料電池1毎に、1つの冷却水流路18を設けてもよい。   In the above-described embodiment, the cooling water flow path 18 is provided in both the anode side separator 16 and the cathode side separator 16. However, the cooling water flow path 18 is provided in at least one separator 16. Also good. In particular, when a stack obtained by stacking a plurality of fuel cells 1 is used as the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, one cooling water channel 18 may be provided for every two to three fuel cells 1. Good.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.

《実施例1》
本実施例では、まず、図3に示す構造を有する本発明の膜触媒層接合体を作製した。
電極触媒である白金粒子をカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持カーボン(田中貴金属工業(株)製のTEC10E50E、50質量%がPt)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(旭硝子(株)製のFlemion)とを、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させてカソード触媒層形成用インクを調製した。
なお、高分子電解質は、塗布形成後の触媒層中の高分子電解質の質量が、触媒担持カーボンの質量の0.4倍となるように添加した。
Example 1
In this example, first, a membrane catalyst layer assembly of the present invention having the structure shown in FIG. 3 was produced.
A catalyst-supporting carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., 50% by mass of Pt) obtained by supporting platinum particles as an electrode catalyst on carbon powder, and a polymer electrolyte solution having hydrogen ion conductivity (Asahi Glass ( Flemion) was dispersed in a mixed dispersion medium (mass ratio 1: 1) of ethanol and water to prepare a cathode catalyst layer forming ink.
The polymer electrolyte was added so that the mass of the polymer electrolyte in the catalyst layer after coating formation was 0.4 times the mass of the catalyst-supported carbon.

得られたカソード触媒層形成用インクを用い、総白金担持量が0.6mg/cm2となるように単層構造を有するカソード触媒層を形成した。まず、上記高分子電解質質量が1.0倍となるように調整したカソード触媒層インクを、高分子電解質膜(ジャパンゴアテックス(株)製のGSII、150mm×150mm)の一方の面に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が0.12mg/cm2でカソード触媒層を形成した。
上記触媒層塗布時には、140mm×140mmに打ち抜かれた基材(PET)をマスクとして利用した。上記マスクは、高分子電解質膜に対して、事前に熱圧着等により密着性を向上させる工程を経ることなく、スプレー塗布時のみに、被塗布物である高分子電解質膜上に乗せ、上記打ち抜かれた内周部(図14におけるpで示される部分)より外側に10mm程度離して錘を配置した。
上記マスクの使用法により、スプレー塗布時においては、スプレーに使用されるエアの圧力により、図14に示されるような高分子電解質膜11とマスク19bの位置関係が実現していると推察された。
Using the obtained cathode catalyst layer forming ink, a cathode catalyst layer having a single layer structure was formed so that the total amount of platinum supported was 0.6 mg / cm 2 . First, the cathode catalyst layer ink adjusted so that the mass of the polymer electrolyte is 1.0 times is sprayed on one surface of the polymer electrolyte membrane (GSII, 150 mm × 150 mm, manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd.). The cathode catalyst layer was formed with a platinum loading of 0.12 mg / cm 2 .
At the time of applying the catalyst layer, a substrate (PET) punched out to 140 mm × 140 mm was used as a mask. The mask is placed on the polymer electrolyte membrane, which is an object to be coated, only at the time of spray coating without going through a step of improving adhesion to the polymer electrolyte membrane by thermocompression in advance. A weight was placed about 10 mm away from the extracted inner periphery (portion indicated by p in FIG. 14).
It was speculated that the positional relationship between the polymer electrolyte membrane 11 and the mask 19b as shown in FIG. 14 was realized by the pressure of air used for spraying due to the usage of the mask, as shown in FIG. .

つぎに、電極触媒である白金ルテニウム合金(白金:ルテニウム=1:1.5モル比(物質量比))粒子をカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持カーボン(田中貴金属工業(株)製のTEC61E54、50質量%がPt−Ru合金)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(旭硝子(株)製のFlemion)とを、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させてアノード触媒層形成用インクを調製した。
得られたアノード触媒層形成用インクを、高分子電解質膜のカソード触媒層が形成された面とは反対側の他方の面に、スプレー法によって塗布し、単層構造を有しかつ白金担持量が0.35mg/cm2でアノード触媒層を形成した。
マスクの形状および使用方法は、上記カソード触媒層作製時と同様とした。
Next, a catalyst-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which platinum ruthenium alloy (platinum: ruthenium = 1: 1.5 molar ratio (substance ratio)) particles as electrode catalysts are supported on carbon powder. TEC61E54, 50% by mass of Pt—Ru alloy) and a polymer electrolyte solution having hydrogen ion conductivity (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), a mixed dispersion medium of ethanol and water (mass ratio 1: 1) An ink for forming an anode catalyst layer was prepared by dispersing in an aqueous solution.
The obtained ink for forming an anode catalyst layer was applied to the other surface of the polymer electrolyte membrane opposite to the surface on which the cathode catalyst layer was formed by a spray method, and had a single layer structure and a platinum carrying amount. Formed an anode catalyst layer at 0.35 mg / cm 2 .
The shape of the mask and the method of use were the same as in the preparation of the cathode catalyst layer.

つぎに、上記のようにして得た本発明の膜触媒層接合体を用い、図2に示す構造を有する膜電極接合体を作製した。
ガス拡散層を形成するために、寸法が16cm×20cmで厚みが270μmのカーボンクロス(三菱化学(株)製のSK−1)を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のND−1)に含浸した後、乾燥することで上記カーボンクロスに撥水性を付与した(撥水処理)。
Next, using a membrane catalyst layer assembly of the present invention obtained as described above, to produce a membrane electrode assembly that having a structure shown in FIG.
In order to form a gas diffusion layer, a carbon cloth (SK-1 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) having a size of 16 cm × 20 cm and a thickness of 270 μm was used, and an aqueous dispersion containing a fluororesin (manufactured by Daikin Industries, Ltd.). ND-1) was impregnated and then dried to impart water repellency to the carbon cloth (water repellency treatment).

続いて、撥水処理後のカーボンクロスの一方の面(全面)に撥水カーボン層を形成した。導電性カーボン粉末(電気化学工業(株)製のデンカブラック(商品名))と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)微粉末を分散させた水溶液(ダイキン工業(株)製のD−1)とを混合し、撥水カーボン層形成用インクを調製した。この撥水カーボン層形成用インクを、ドクターブレード法によって、上記撥水処理後のカーボンクロスの一方の面に塗布し、撥水カーボン層を形成した。このとき、撥水カーボン層の一部は、上記カーボンクロスの中に埋めこまれていた。   Subsequently, a water repellent carbon layer was formed on one surface (entire surface) of the carbon cloth after the water repellent treatment. Conductive carbon powder (Denka Black (trade name) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and an aqueous solution (D-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) in which fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) is dispersed. By mixing, an ink for forming a water-repellent carbon layer was prepared. This water repellent carbon layer forming ink was applied to one surface of the carbon cloth after the water repellent treatment by a doctor blade method to form a water repellent carbon layer. At this time, a part of the water repellent carbon layer was embedded in the carbon cloth.

その後、撥水処理および撥水カーボン層形成後のカーボンクロスを、PTFEの融点以上の温度である350℃で30分間焼成した。最後に上記カーボンクロスの中央部分を抜き型にて切断し、寸法が142.5mm×142.5mmのガス拡散層を得た。
つぎに、上記のようにして得たガス拡散層の撥水カーボン層の中央部分がカソード触媒層およびアノード触媒層に接するように、2枚のガス拡散層で上記膜触媒層接合体を挟み、全体をホットプレス機で熱圧着(120℃、30分、10kgf/cm2)することに
より、膜電極接合体を得た。
Thereafter, the carbon cloth after the water repellent treatment and the formation of the water repellent carbon layer was fired at 350 ° C., which is a temperature equal to or higher than the melting point of PTFE, for 30 minutes. Finally, the central portion of the carbon cloth was cut with a punching die to obtain a gas diffusion layer with dimensions of 142.5 mm × 142.5 mm.
Next, the membrane-catalyst layer assembly is sandwiched between two gas diffusion layers so that the central portion of the water-repellent carbon layer of the gas diffusion layer obtained as described above is in contact with the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, The whole was subjected to thermocompression bonding (120 ° C., 30 minutes, 10 kgf / cm 2 ) with a hot press machine to obtain a membrane electrode assembly .

最後に、上記のようにして得た膜電極接合体を用い、図1に示す構造を有する燃料電池(単電池)1を作製した。上記膜電極接合体を、燃料ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータと、酸化剤ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータとで挟持し、両セパレータ間でカソードおよびアノードの周囲にフッ素ゴム製のガスケットを配置し、有効電極(アノードまたはカソード)面積が36cm2である単電池(燃料電池)を得た。 Finally, using the membrane electrode assembly obtained as described above, to produce a fuel cell (unit cell) 1 that have a structure shown in FIG. The membrane electrode assembly is sandwiched between a separator having a gas flow path for supplying a fuel gas and a cooling water flow path, and a separator having a gas flow path for supplying an oxidant gas and a cooling water flow path, and a cathode between both separators. and fluorine rubber gasket placed around the anode, the effective electrode (anode or cathode) area to give a single cell (fuel cell) which is 36cm 2.

《実施例2》
触媒質量減少領域(触媒層周辺部の減少部分の距離)が表1に示す範囲となるように触媒層を形成した以外は、実施例1と同様にして単電池(燃料電池)を得た。
Example 2
A single cell (fuel cell) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst layer was formed so that the catalyst mass reduction region (distance of the reduced portion around the catalyst layer periphery) was in the range shown in Table 1.

《比較例1》
触媒層形状を規定するスプレー塗布時のマスクの使用方法以外は、実施例1と同様にして膜触媒層接合体、膜電極接合体および単電池を作製した。
マスクは熱圧着(90℃、3分、10kgf/cm2)により、スプレー塗布前に、高分子電解質膜の両面に密着させた。スプレー塗布時においては、高分子電解質膜に密着したマスクを通して、カソード触媒層およびアノード触媒層を形成した。
<< Comparative Example 1 >>
A membrane / catalyst layer assembly, a membrane / electrode assembly, and a unit cell were produced in the same manner as in Example 1 except that the method of using the mask during spray coating to define the catalyst layer shape was used.
The mask was brought into close contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane by spraying (90 ° C., 3 minutes, 10 kgf / cm 2 ) before spray coating. At the time of spray coating, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were formed through a mask adhered to the polymer electrolyte membrane.

[評価試験]
(1)膜触媒層周辺部直接観察
上記実施例1および上記比較例1で得られた膜電極接合体を光学顕微鏡により観察を行った。具体的には、単位面積あたりの触媒質量の減少領域、具体的には、マスクにより規定された触媒層外周から実触媒層外周までの距離を計測した。結果を表1に示した。
また、上記実施例1および比較例1で得られた膜触媒層接合体を高分子電解質膜の主面に対する略法線方向からみた光学顕微鏡像のうちの、カソード触媒層の周辺部を含む部分を撮影した(図15および図16を参照)。
[Evaluation test]
(1) Direct observation of membrane catalyst layer peripheral portion The membrane electrode assemblies obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were observed with an optical microscope. Specifically, the reduction area of the catalyst mass per unit area, specifically, the distance from the outer periphery of the catalyst layer defined by the mask to the outer periphery of the actual catalyst layer was measured. The results are shown in Table 1.
Moreover, the part including the peripheral part of a cathode catalyst layer in the optical microscope image which looked at the membrane-catalyst layer assembly obtained in Example 1 and Comparative Example 1 from a substantially normal direction to the main surface of the polymer electrolyte membrane (See FIGS. 15 and 16).

(2)触媒質量減少領域(触媒層周辺部の減少部分の距離)
図4に示すように、略矩形のカソード触媒層の主面の周辺部の4辺および略矩形のアノード触媒層の主面の周辺部の4辺をそれぞれ4等分することにより、それぞれの周辺部を16等分して得られる、カソード触媒層およびアノード触媒層についてそれぞれ16個の単位周辺部Y1〜Y16において、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて白金粒子の分布状態を観察するとともに光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡(SEM)を用い、カソードガス拡散層およびアノード触媒層の中央部Zの外端部17a(部分P)を起点とした、上記減少部分の外端部までの距離Sを測定し、距離Sの最大値と最小値との範囲を求めた。
(2) Catalyst mass decrease region (distance of the decrease portion around the catalyst layer)
As shown in FIG. 4, the four sides of the peripheral portion of the main surface of the substantially rectangular cathode catalyst layer and the four sides of the peripheral portion of the main surface of the substantially rectangular anode catalyst layer are divided into four equal parts, respectively. part is a obtained by 16 equal parts, in the cathode catalyst layer and anode catalyst layer units periphery Y 1 to Y 16 16 pieces each of the distribution of the platinum particles using energy dispersive X-ray fluorescence analyzer (EDX) Using the optical microscope and scanning electron microscope (SEM) to observe the state, the outer end of the reduced portion starting from the outer end portion 17a (part P) of the central portion Z of the cathode gas diffusion layer and the anode catalyst layer The distance S to the part was measured, and the range between the maximum value and the minimum value of the distance S was determined.

(3)耐久性評価試験
上記実施例および比較例で得られた単電池を、70℃に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を70%に設定し、空気利用率を40%に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約70℃となるように加湿してから単電池に供給した。そして、電流密度0.3mA・cm-2 で12時間、単電池を運転してエージング(活性化処理)を行った。
(3) Durability evaluation test The unit cells obtained in the above examples and comparative examples were controlled at 70 ° C., hydrogen gas was supplied as fuel gas to the anode-side gas flow path, and the cathode-side gas flow path was Each was supplied with air. At this time, the utilization rate of hydrogen gas was set to 70%, the utilization rate of air was set to 40%, and humidification was performed so that the dew points of hydrogen gas and air were about 70 ° C., respectively. Then, the cell was operated for 12 hours at a current density of 0.3 mA · cm −2 for aging (activation treatment).

エージング(活性化処理)後、各単電池について、膜電極接合体の劣化を加速して、より短時間で寿命の判断が可能な加速耐久試験を行った。上記加速耐久試験においては、高分子電解質膜が相対的に低加湿となるよう各単電池を運転した。具体的には、単電池温度を90℃に上昇させ、一方で、アノード側のガス流路に水素および二酸化炭素の混合ガス(体積比8:2)を供給し、カソード側のガス流路に空気を供給し、両ガスの露点をそれぞれ約70℃とした。また電流密度は0.16mA・cm-2 で運転した。
上記加速試験は、電池電圧低下により、運転不可能となるまで行った。単電池の耐久性については、運転可能時間より判断した。結果を表1に示した。
After aging (activation treatment), each cell was subjected to an accelerated durability test in which the deterioration of the membrane electrode assembly was accelerated and the life could be judged in a shorter time. In the accelerated durability test, each unit cell was operated so that the polymer electrolyte membrane had relatively low humidification. Specifically, the cell temperature is raised to 90 ° C., while a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide (volume ratio 8: 2) is supplied to the gas flow path on the anode side, and the gas flow path on the cathode side is supplied. Air was supplied, and the dew points of both gases were about 70 ° C., respectively. The operation was performed at a current density of 0.16 mA · cm −2 .
The acceleration test was performed until the operation became impossible due to a decrease in battery voltage. The durability of the cell was judged from the operating time. The results are shown in Table 1.

図15は、上記実施例1で作製した膜触媒層接合体を高分子電解質膜の主面に対する略法線方向からみた光学顕微鏡像のうちの、カソード触媒層の周辺部を含む部分を示し、図16は、上記比較例1の膜触媒層接合体を高分子電解質膜の主面に対する略法線方向からみた光学顕微鏡像のうちの、カソード触媒層の周辺部を含む部分を示す。
上記実施例1の膜触媒層接合体20は、高分子電解質膜11と図14に示すマスク19bを密着していない状態(すなわち隙間を設けて)で、スプレーにより高分子電解質膜11に触媒層形成用インクを塗布して作製したものであり、上記比較例1の膜触媒層接合体は、高分子電解質膜111と図14に示すマスク19bを予め熱圧着により密着した状態で、スプレーにより高分子電解質膜111に触媒層形成用インクを塗布して作製したものである。触媒層塗布に関わる条件は、上記マスク密着性を除いて、スプレーに使用した触媒層インクおよびスプレー回数等同等である。
FIG. 15 shows a portion including a peripheral portion of the cathode catalyst layer in an optical microscope image of the membrane / catalyst layer assembly produced in Example 1 as seen from a substantially normal direction to the main surface of the polymer electrolyte membrane, FIG. 16 shows a portion including a peripheral portion of the cathode catalyst layer in an optical microscopic image of the membrane / catalyst layer assembly of Comparative Example 1 viewed from a substantially normal direction to the main surface of the polymer electrolyte membrane.
The membrane / catalyst layer assembly 20 of Example 1 was sprayed onto the polymer electrolyte membrane 11 by spraying in a state where the polymer electrolyte membrane 11 and the mask 19b shown in FIG. 14 were not in close contact (that is, provided with a gap). The membrane-catalyst layer assembly of Comparative Example 1 was prepared by applying a forming ink, and the polymer electrolyte membrane 111 and the mask 19b shown in FIG. This is prepared by applying a catalyst layer forming ink to the molecular electrolyte membrane 111. The conditions relating to the application of the catalyst layer are the same as the catalyst layer ink used for spraying and the number of sprays, etc., except for the mask adhesion.

図15に示すように、上記実施例1においては、カソード触媒層の周辺部12a1において内側、すなわち図14におけるマスク19bのpで示される部分によって規定されたカソード触媒層12aの中心部の外周部を示す線Pの部分から、外側に向けて、約300μmの間で単位面積あたりの触媒質量が減少していることが確認された。さらに、300μm以上外側の領域においても触媒が飛散していた。この触媒層飛散領域は線Pより約700μmの領域である。アノード側触媒層12bの周辺部12b1および12b2についても同様であった。一方、上記比較例1においては、上記のような触媒層飛散領域は形成されていないことが確認された。
また、表1の結果から明らかなように、上記実施例1の膜電極接合体は上記比較例1の膜電極接合体に対して優れた耐久性と高寿命な電池特性を実現できることが確認された。
As shown in FIG. 15, in Example 1, the outer periphery of the central portion of the cathode catalyst layer 12a defined by the inside of the peripheral portion 12a 1 of the cathode catalyst layer, that is, the portion indicated by p of the mask 19b in FIG. It was confirmed that the catalyst mass per unit area decreased from about 300 μm toward the outside from the portion of line P indicating the portion. Furthermore, the catalyst was scattered in the region outside 300 μm or more. This catalyst layer scattering region is a region of about 700 μm from the line P. The same applies to the peripheral portions 12b 1 and 12b 2 of the anode side catalyst layer 12b. On the other hand, in the comparative example 1, it was confirmed that the catalyst layer scattering region as described above was not formed.
Further, as is apparent from the results in Table 1, it was confirmed that the membrane / electrode assembly of Example 1 can realize excellent durability and long-life battery characteristics with respect to the membrane / electrode assembly of Comparative Example 1. It was.

本発明に係る膜触媒層接合体を含む高分子電解質形燃料電池は、自動車などの移動体、分散発電システムおよび家庭用のコージェネレーションシステムなどに好適に利用されることが期待される。 The polymer electrolyte fuel cell including the membrane-catalyst layer assembly according to the present invention is expected to be suitably used for a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, a household cogeneration system, and the like.

本発明に係る膜触媒層接合体を含む高分子電解質形燃料電池の好適な一実施形態に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the single cell mounted in suitable one Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell containing the membrane catalyst layer assembly based on this invention. 図1に示す燃料電池1に搭載される膜電極接合体の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the membrane electrode assembly mounted in the fuel cell 1 shown in FIG. 図2に示す膜電極接合体10を構成する膜触媒層接合体の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the membrane catalyst layer assembly which comprises the membrane electrode assembly 10 shown in FIG. 図3において矢印Rの方向からみた膜触媒層接合体20の概略正面図である。FIG. 4 is a schematic front view of the membrane catalyst layer assembly 20 as viewed from the direction of arrow R in FIG. 3. 図3に示す膜触媒層接合体20のカソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)の要部を拡大した要部拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part in which a main part of a peripheral part 12a 1 (Y) of a cathode catalyst layer 12a of the membrane catalyst layer assembly 20 shown in FIG. 3 is enlarged. 図3に示す膜触媒層接合体20のカソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)の変形例の態様の要部を拡大した要部拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part in which a main part of a modified example of a peripheral part 12a 1 (Y) of a cathode catalyst layer 12a of the membrane catalyst layer assembly 20 shown in FIG. 3 is enlarged. 図3に示す膜触媒層接合体20のカソード触媒層12aの周辺部12a1(Y)の別の変形例の態様の要部を拡大した要部拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a main part in which a main part of another modification of the peripheral part 12a 1 (Y) of the cathode catalyst layer 12a of the membrane catalyst layer assembly 20 shown in FIG. 3 is enlarged. 図1に示した燃料電池1のアノード側セパレータ16bの主面を冷却水流路18側から見た場合の正面図である。FIG. 2 is a front view when the main surface of an anode-side separator 16b of the fuel cell 1 shown in FIG. 1 is viewed from the cooling water flow path 18 side. 図1に示した燃料電池1のアノード側セパレータ16bの主面をガス流路17b側から見た場合の正面図である。FIG. 2 is a front view when the main surface of an anode side separator 16b of the fuel cell 1 shown in FIG. 1 is viewed from the gas flow path 17b side. 図1に示した燃料電池1のカソード側セパレータ16aの主面をガス流路17a側から見た場合の正面図である。FIG. 2 is a front view when the main surface of a cathode-side separator 16a of the fuel cell 1 shown in FIG. 1 is viewed from the gas flow path 17a side. 図1に示した燃料電池1のカソード側セパレータ16aの主面を冷却水流路18側から見た場合の正面図である。FIG. 2 is a front view when the main surface of a cathode separator 16a of the fuel cell 1 shown in FIG. 1 is viewed from the cooling water flow path 18 side. 図1に示す本実施形態の燃料電池1を複数個積層して構成されている燃料電池スタックの一実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of one Embodiment of the fuel cell stack comprised by laminating | stacking the fuel cell 1 of this embodiment shown in FIG. 本発明の一実施形態において用いることのできるマスクと、高分子電解質膜11(または支持体)と、これらの位置関係とを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the mask which can be used in one Embodiment of this invention, the polymer electrolyte membrane 11 (or support body), and these positional relationships. 本発明の一実施形態において用いることのできる他のマスクと、高分子電解質膜11(または支持体)と、これらの位置関係とを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other mask which can be used in one Embodiment of this invention, the polymer electrolyte membrane 11 (or support body), and these positional relationships. 本発明の一実施形態(実施例1)として作製された膜触媒層接合体20を高分子電解質膜11の主面に対する略法線方向からみた光学顕微鏡像のうちの、カソード触媒層12aの周辺部12a1を含む部分である。The periphery of the cathode catalyst layer 12a in the optical microscope image of the membrane / catalyst layer assembly 20 produced as one embodiment (Example 1) of the present invention viewed from the direction substantially normal to the main surface of the polymer electrolyte membrane 11 This is a part including the part 12a 1 . 従来(比較例1)の膜触媒層接合体を高分子電解質膜111の主面に対する略法線方向からみた光学顕微鏡像のうちの、カソード触媒層112aの周辺部を含む部分である。This is a portion including a peripheral portion of the cathode catalyst layer 112a in an optical microscopic image of a conventional (comparative example 1) membrane-catalyst layer assembly viewed from a substantially normal direction to the main surface of the polymer electrolyte membrane 111. 従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the single cell mounted in the conventional polymer electrolyte fuel cell. 図9に示す燃料電池100に搭載される膜電極接合体の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the membrane electrode assembly mounted in the fuel cell 100 shown in FIG. 図10に示す膜電極接合体101を構成する膜触媒層接合体の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the membrane catalyst layer assembly which comprises the membrane electrode assembly 101 shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1、100・・・燃料電池、10、101・・・膜電極接合体、20、102・・・膜触媒層接合体、11、111・・・高分子電解質膜、12、112・・・触媒層、12a・・・カソード触媒層、12b・・・アノード触媒層、13、113ガス拡散層、14a・・・アノード、14b・・・カソード、114・・・電極、15、115・・・ガスケット、16、116・・・セパレータ、17、117・・・ガス流路、18、118・・・冷却水流路、19a、19b・・・マスク、24・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、25・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、26・・・冷却水供給用マニホールド孔、27・・・冷却水排出用マニホールド孔、28・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、29・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔、77a・・・直線部(長い流路)、77b・・・ターン部(短い流路)、30・・・燃料電池スタック。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 ... Fuel cell 10, 101 ... Membrane electrode assembly, 20, 102 ... Membrane catalyst layer assembly, 11, 111 ... Polymer electrolyte membrane, 12, 112 ... Catalyst Layer, 12a ... cathode catalyst layer, 12b ... anode catalyst layer, 13, 113 gas diffusion layer, 14a ... anode, 14b ... cathode, 114 ... electrode, 15, 115 ... gasket , 16, 116 ... separator, 17, 117 ... gas passage, 18, 118 ... cooling water passage, 19a, 19b ... mask, 24 ... manifold hole for fuel gas supply, 25. .. Manifold hole for fuel gas discharge, 26 ... Manifold hole for cooling water supply, 27 ... Manifold hole for cooling water discharge, 28 ... Manifold hole for supplying oxidant gas, 29 ... Oxidant gas Discharge machine Hold hole, 77a ... straight portion (long flow paths), 77b ... turn portions (short flow paths), 30 ... fuel cell stack.

Claims (3)

高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜と触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、触媒層形成用マスクを配置する工程と、
触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、前記高分子電解質膜の表面に前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法。
A method for producing a membrane / catalyst layer assembly comprising forming an anode catalyst layer on one surface of a polymer electrolyte membrane and a cathode catalyst layer on the other surface,
Placing in a state of a gap, the mask catalyst layer formed between the polymer electrolyte membrane and the catalytic layer forming a mask,
Applying the ink for forming a catalyst layer by a spray method, and forming at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane. .
高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層および他方の表面にカソード触媒層を形成する膜触媒層接合体の製造方法であって、
持体と触媒層形成用マスクとの間に隙間を設けた状態で、支持体の表面に触媒層形成用マスクを配置する工程と、
触媒層形成用インクをスプレー法で塗布し、前記支持体表面に前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、
得られた前記触媒層を前記高分子電解質膜の表面に接合する工程と、を有する膜触媒層接合体の製造方法。
A method for producing a membrane / catalyst layer assembly comprising forming an anode catalyst layer on one surface of a polymer electrolyte membrane and a cathode catalyst layer on the other surface,
In a state in which a gap is provided between the catalyst layer forming mask tactile and supporting bearing member, a step of arranging a mask for forming the catalyst layer on the surface of the support,
Applying a catalyst layer forming ink by a spray method to form at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer on the surface of the support;
Joining the obtained catalyst layer to the surface of the polymer electrolyte membrane, and a method for producing a membrane catalyst layer assembly.
前記触媒層形成用マスクは、前記触媒層を形成するために打ち抜かれた形状の内周部を有し、
前記高分子電解質膜または前記支持体と、前記触媒層形成用マスクの前記内周部との間に隙間を設けた状態で、前記触媒層形成用インクを塗布する請求項1または2に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
The catalyst layer forming mask has an inner peripheral portion of a shape punched to form the catalyst layer,
The catalyst layer forming ink is applied in a state where a gap is provided between the polymer electrolyte membrane or the support and the inner peripheral portion of the catalyst layer forming mask. Manufacturing method of membrane catalyst layer assembly.
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