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JP5298303B2 - Membrane electrode assembly and fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly and fuel cell Download PDF

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JP5298303B2
JP5298303B2 JP2008046572A JP2008046572A JP5298303B2 JP 5298303 B2 JP5298303 B2 JP 5298303B2 JP 2008046572 A JP2008046572 A JP 2008046572A JP 2008046572 A JP2008046572 A JP 2008046572A JP 5298303 B2 JP5298303 B2 JP 5298303B2
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孝司 松岡
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Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。   In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known.

固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。   A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode contains hydrogen and the air electrode contains oxygen. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.

燃料極:H→2H+2e ・・・(1)
空気極:1/2O+2H+2e→HO ・・・(2)
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)
The anode and cathode each have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated. The catalyst layers of the electrodes are arranged opposite to each other with the solid polymer film interposed therebetween, thereby constituting a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer becomes a passage for the oxidant gas and the fuel gas.

アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される(特許文献1参照)。   At the anode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the cathode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). Thus, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out (see Patent Document 1).

アノードに供給される燃料として、天然ガスやLPGなどの炭化水素系ガスを改質器を用いて水蒸気改質することによって得られる改質ガスが用いられている。改質器で生成された改質ガスには、電極に用いられる触媒性能を劣化させるCOが含まれている。このため、改質器で生成された改質ガスは、CO変成器およびCO除去器で段階的に順次処理される。しかし、COは完全には除去されないため、10ppm程度の低濃度のCOがアノードに流通する。   As the fuel supplied to the anode, a reformed gas obtained by steam reforming a hydrocarbon gas such as natural gas or LPG using a reformer is used. The reformed gas generated in the reformer contains CO that degrades the performance of the catalyst used for the electrode. For this reason, the reformed gas generated in the reformer is sequentially processed in stages by the CO converter and the CO remover. However, since CO is not completely removed, CO having a low concentration of about 10 ppm flows to the anode.

このため、アノードの触媒として、耐CO性に優れているルテニウムを含む白金ルテニウム合金触媒が広く使われている。
特開2006−140087号公報
For this reason, platinum ruthenium alloy catalysts containing ruthenium having excellent CO resistance are widely used as anode catalysts.
Japanese Patent Laid-Open No. 2006-140087

燃料電池のアノード触媒層を構成する触媒金属として白金などの貴金属とルテニウムの合金を用いた場合に、燃料電池の起動または停止時にルテニウムの一部が溶出し、ルテニウムが電解質膜中さらにはカソードに移動する現象が見いだされた。ルテニウムまたはルテニウムイオンがカソードに存在すると、カソード反応である酸素還元反応が阻害され、カソード電圧の低下を招き、燃料電池の発電性能の低下の要因となりうる。   When an alloy of ruthenium and a noble metal such as platinum is used as the catalyst metal constituting the anode catalyst layer of the fuel cell, part of the ruthenium is eluted when the fuel cell is started or stopped, and the ruthenium is further absorbed into the electrolyte membrane and further to the cathode. A moving phenomenon was found. When ruthenium or ruthenium ions are present in the cathode, the oxygen reduction reaction, which is a cathode reaction, is hindered, leading to a decrease in cathode voltage, which may cause a decrease in power generation performance of the fuel cell.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池のアノード触媒層に白金などの貴金属とルテニウムの合金触媒を用いた場合に、ルテニウムが電解質膜中さらにはカソードに移動し、カソードが劣化することを抑制する技術の提供にある。   The present invention has been made in view of these problems, and its purpose is to move ruthenium to the cathode in the electrolyte membrane and further to the cathode when an alloy catalyst of noble metal such as platinum and ruthenium is used for the anode catalyst layer of the fuel cell. And providing a technique for suppressing the deterioration of the cathode.

本発明のある態様は、膜電極接合体である。当該膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、を備え、アノードは、イオン伝導体と、貴金属とルテニウムとからなる第1の合金触媒と、貴金属とルテニウムよりイオン化傾向が高い金属とからなる第2の合金触媒と、を含むことを特徴とする。   One embodiment of the present invention is a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane. The anode includes an ion conductor, a noble metal, and It includes a first alloy catalyst made of ruthenium and a second alloy catalyst made of a noble metal and a metal having a higher ionization tendency than ruthenium.

この態様によれば、アノードを構成する触媒層に含まれるルテニウムイオンがルテニウムよりイオン化傾向が高い金属との置換反応によりルテニウムに還元されるため、ルテニウムイオンが電解質膜中さらにはカソードに移動し、カソードが劣化することを抑制することができる。この結果、膜電極接合体の発電性能の向上を図ることができる。   According to this aspect, ruthenium ions contained in the catalyst layer constituting the anode are reduced to ruthenium by a substitution reaction with a metal having a higher ionization tendency than ruthenium, so that the ruthenium ions move to the cathode further in the electrolyte membrane, It can suppress that a cathode deteriorates. As a result, the power generation performance of the membrane electrode assembly can be improved.

上記態様において、電解質膜の側において第2の合金触媒が第1の合金触媒に比べて偏在していてもよい。   In the above aspect, the second alloy catalyst may be unevenly distributed on the electrolyte membrane side as compared with the first alloy catalyst.

また、上記態様において、アノードは、第1の触媒層と、第1の触媒層と電解質膜との間に介在する第2の触媒層とを有し、第1の触媒層は、第1のイオン伝導体と第1の合金触媒とを含み、第2の触媒層は、第2のイオン伝導体と第2の合金触媒とを含んでもよい。   In the above aspect, the anode includes a first catalyst layer, and a second catalyst layer interposed between the first catalyst layer and the electrolyte membrane, and the first catalyst layer includes the first catalyst layer. An ion conductor and a first alloy catalyst may be included, and the second catalyst layer may include a second ion conductor and a second alloy catalyst.

また、上記態様において、第2のイオン伝導体の含水率が第1のイオン伝導体の含水率に比べて低くてもよい。また、第2の触媒層に含まれるイオン伝導体の含水率が電解質膜の含水率に比べて低くてもよい。   Moreover, in the said aspect, the moisture content of a 2nd ion conductor may be low compared with the moisture content of a 1st ion conductor. Further, the moisture content of the ion conductor contained in the second catalyst layer may be lower than the moisture content of the electrolyte membrane.

本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、上述したいずれかの膜電極接合体を有する。   Another embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell has any of the membrane electrode assemblies described above.

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。   A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.

本発明によれば、燃料電池のアノード触媒層に白金などの貴金属とルテニウムの合金触媒を用いた場合に、ルテニウムが電解質膜中さらにはカソードに移動し、カソードが劣化することを抑制することができる。   According to the present invention, when an alloy catalyst of noble metal such as platinum and ruthenium is used for the anode catalyst layer of the fuel cell, it is possible to prevent ruthenium from moving into the electrolyte membrane and further to the cathode and deteriorating the cathode. it can.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る燃料電池10の構造を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA−A線上の断面図である。燃料電池10は、平板状の膜電極接合体50を備え、この膜電極接合体50の両側にはセパレータ34およびセパレータ36が設けられている。この例では一つの膜電極接合体50のみを示すが、セパレータ34やセパレータ36を介して複数の膜電極接合体50を積層して燃料電池スタックが構成されてもよい。膜電極接合体50は、固体高分子電解質膜20、アノード22、およびカソード24を有する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell 10 according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. The fuel cell 10 includes a flat membrane electrode assembly 50, and a separator 34 and a separator 36 are provided on both sides of the membrane electrode assembly 50. In this example, only one membrane electrode assembly 50 is shown, but a plurality of membrane electrode assemblies 50 may be stacked via the separator 34 or the separator 36 to constitute a fuel cell stack. The membrane electrode assembly 50 includes a solid polymer electrolyte membrane 20, an anode 22, and a cathode 24.

アノード22は、第1の触媒層26、第2の触媒層27、およびガス拡散層28からなる積層体を有する。すなわち、本実施の形態では、第2の触媒層27は、第1の触媒層26と固体高分子電解質膜20との間に層状に配設されている。一方、カソード24は、触媒層30およびガス拡散層32からなる積層体を有する。アノード22の第1の触媒層26および第2の触媒層27とカソード24の触媒層30は、固体高分子電解質膜20を挟んで対向するように設けられている。   The anode 22 has a laminate composed of a first catalyst layer 26, a second catalyst layer 27, and a gas diffusion layer 28. That is, in the present embodiment, the second catalyst layer 27 is disposed in a layered manner between the first catalyst layer 26 and the solid polymer electrolyte membrane 20. On the other hand, the cathode 24 has a laminate composed of a catalyst layer 30 and a gas diffusion layer 32. The first catalyst layer 26 and the second catalyst layer 27 of the anode 22 and the catalyst layer 30 of the cathode 24 are provided so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween.

アノード22側に設けられるセパレータ34にはガス流路38が設けられている。燃料供給用のマニホールド(図示せず)から燃料ガスがガス流路38に分配され、ガス流路38を通じて膜電極接合体50に燃料ガスが供給される。同様に、カソード24側に設けられるセパレータ36にはガス流路40が設けられている。   A gas flow path 38 is provided in the separator 34 provided on the anode 22 side. Fuel gas is distributed to a gas flow path 38 from a fuel supply manifold (not shown), and the fuel gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the gas flow path 38. Similarly, a gas flow path 40 is provided in the separator 36 provided on the cathode 24 side.

酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から酸化剤ガスがガス流路40に分配され、ガス流路40を通じて膜電極接合体50に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池10の運転時、燃料ガス、たとえば水素ガスを含有する改質ガスがガス流路38内をガス拡散層28の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、アノード22に燃料ガスが供給される。   The oxidant gas is distributed to the gas flow path 40 from the oxidant supply manifold (not shown), and the oxidant gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the gas flow path 40. Specifically, when the fuel cell 10 is operated, a reformed gas containing a fuel gas, for example, hydrogen gas, flows through the gas flow path 38 along the surface of the gas diffusion layer 28 from the upper side to the lower side. The fuel gas is supplied to 22.

一方、燃料電池10の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路40内をガス拡散層32の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、カソード24に酸化剤ガスが供給される。これにより、膜電極接合体50内で反応が生じる。ガス拡散層28を介して第1の触媒層26および第2の触媒層27に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜20中をカソード24側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード24に流れ込む。一方、ガス拡散層32を介して触媒層30に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード22からカソード24に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。   On the other hand, during operation of the fuel cell 10, an oxidant gas, for example, air flows through the gas flow path 40 from the upper side to the lower side along the surface of the gas diffusion layer 32, whereby the oxidant gas is supplied to the cathode 24. The Thereby, a reaction occurs in the membrane electrode assembly 50. When hydrogen gas is supplied to the first catalyst layer 26 and the second catalyst layer 27 via the gas diffusion layer 28, hydrogen in the gas becomes protons, and these protons pass through the solid polymer electrolyte membrane 20 into the cathode 24. Move to the side. At this time, the emitted electrons move to the external circuit and flow into the cathode 24 from the external circuit. On the other hand, when air is supplied to the catalyst layer 30 through the gas diffusion layer 32, oxygen is combined with protons to become water. As a result, electrons flow from the anode 22 toward the cathode 24 in the external circuit, and power can be taken out.

固体高分子電解質膜20は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード22およびカソード24の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜20は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。固体高分子電解質膜20の典型的な膜厚は50μmである。   The solid polymer electrolyte membrane 20 exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode 22 and the cathode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. For example, the polymer electrolyte membrane 20 is a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group. A fluorocarbon polymer or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone. A typical film thickness of the solid polymer electrolyte membrane 20 is 50 μm.

アノード22を構成する第1の触媒層26は、第1のイオン伝導体(イオン交換樹脂)と、第1の合金触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。第1の触媒層26の典型的な膜厚は10μmである。第1のイオン伝導体は、第1の合金触媒を担持した炭素粒子と第2の触媒層27とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。第1イオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。   The first catalyst layer 26 constituting the anode 22 is composed of a first ion conductor (ion exchange resin) and carbon particles supporting the first alloy catalyst, that is, catalyst-supporting carbon particles. A typical film thickness of the first catalyst layer 26 is 10 μm. The first ionic conductor connects the carbon particles carrying the first alloy catalyst and the second catalyst layer 27 and has a role of transmitting protons between the two. The first ionic conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20.

第1の合金触媒は、貴金属とルテニウムとからなる。第1の合金触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。第1の合金触媒を担持する炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどが挙げられる。   The first alloy catalyst is composed of a noble metal and ruthenium. Examples of the noble metal used for the first alloy catalyst include platinum and palladium. Examples of the carbon particles supporting the first alloy catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

第2の触媒層27は、第2のイオン伝導体と第2の合金触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。第2の触媒層27の典型的な膜厚は1μmである。第2のイオン伝導体は、第2の合金触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。第2のイオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。   The second catalyst layer 27 is composed of carbon particles carrying a second ion conductor and a second alloy catalyst, that is, catalyst-carrying carbon particles. A typical film thickness of the second catalyst layer 27 is 1 μm. The second ion conductor connects the carbon particles carrying the second alloy catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The second ionic conductor may be formed of the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20.

第2の合金触媒は、貴金属とルテニウムよりイオン化傾向が高い金属とからなる。第2の合金触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。ルテニウムよりイオン化傾向が高い金属として、たとえば、コバルト、ニッケル、鉄、タンタル、モリブデン、タングステン、銀、スズ、銅、マンガンが挙げられる。   The second alloy catalyst is composed of a noble metal and a metal having a higher ionization tendency than ruthenium. Examples of the noble metal used for the second alloy catalyst include platinum and palladium. Examples of metals having a higher ionization tendency than ruthenium include cobalt, nickel, iron, tantalum, molybdenum, tungsten, silver, tin, copper, and manganese.

たとえば、ルテニウムよりイオン化傾向が高い金属としてコバルトを用いると、下記のように、イオン化傾向、言い換えると標準電極電位の違いにより、第1の触媒層26から溶出したルテニウムイオンがルテニウムに還元され、コバルトがコバルトイオンに酸化される。   For example, when cobalt is used as a metal having a higher ionization tendency than ruthenium, ruthenium ions eluted from the first catalyst layer 26 are reduced to ruthenium due to an ionization tendency, in other words, a difference in standard electrode potential, as described below. Is oxidized to cobalt ions.

Ru2+ + 2e → Ru
Co2+ + 2e ← Co
(ルテニウムの標準電極電位E=0.455V、コバルトの標準電極電位E=−0.28V)
Ru 2+ + 2e → Ru
Co 2+ + 2e ← Co
(Ruthenium standard electrode potential E 0 = 0.455 V, cobalt standard electrode potential E 0 = −0.28 V)

また、第2のイオン伝導体の含水率は、第1のイオン伝導体の含水率に比べて低いことが好適である。言い換えると、第2のイオン伝導体のイオン交換基濃度Ewは、第1のイオン伝導体のEwに比べて高いことが好適である。たとえば、イオン伝導体に熱処理を加えることで、含水率を変化させてもよい。これによれば、第1の触媒層26から第2の触媒層27へのルテニウムイオンの拡散速度が減少するため、上述した置換反応が生じやすくなる。また、第1のイオン伝導体の含水率を相対的に高くすることにより、低加湿状態において、第1の触媒層26の水分が不足することを抑制することができる。なお、Ewが小さいほどプロトン伝導性が高くなり、親水性および含水率が高くなる。   Moreover, it is preferable that the moisture content of the second ionic conductor is lower than the moisture content of the first ionic conductor. In other words, the ion exchange group concentration Ew of the second ion conductor is preferably higher than the Ew of the first ion conductor. For example, the moisture content may be changed by applying heat treatment to the ionic conductor. According to this, since the diffusion rate of ruthenium ions from the first catalyst layer 26 to the second catalyst layer 27 is decreased, the above-described substitution reaction is likely to occur. Moreover, it can suppress that the water | moisture content of the 1st catalyst layer 26 runs short in a low humidification state by making the moisture content of a 1st ion conductor relatively high. In addition, proton conductivity becomes high, so that Ew is small, and hydrophilicity and water content become high.

また、第2のイオン伝導体の含水率は、固体高分子電解質膜20の含水率より低いことが好適である。言い換えると、第2のイオン伝導体のEwは、固体高分子電解質膜20のEwに比べて高いことが好適である。これによれば、第2の触媒層27から固体高分子電解質膜20へのルテニウムイオンの拡散速度が減少するため、上述した置換反応が生じやすくなる。   The water content of the second ionic conductor is preferably lower than the water content of the solid polymer electrolyte membrane 20. In other words, the Ew of the second ionic conductor is preferably higher than the Ew of the solid polymer electrolyte membrane 20. According to this, since the diffusion rate of ruthenium ions from the second catalyst layer 27 to the solid polymer electrolyte membrane 20 is reduced, the above substitution reaction is likely to occur.

アノード22を構成するガス拡散層28は、アノードガス拡散基材、およびアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The gas diffusion layer 28 constituting the anode 22 has an anode gas diffusion base material and a microporous layer applied to the anode gas diffusion base material. The anode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used.

アノードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの(状態)にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。   The microporous layer applied to the anode gas diffusion base material is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. As the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) can be used. It is preferable that the water repellent has a binding property. Here, the binding property refers to a property that can be made sticky (state) by joining things that are less sticky or those that tend to break apart. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.

カソード24を構成する触媒層30は、イオン伝導体(イオン交換樹脂)と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン伝導体は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、コバルト、ロジウム、パラジウムなどの1種またはこれらの2種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。   The catalyst layer 30 constituting the cathode 24 is composed of an ion conductor (ion exchange resin) and carbon particles carrying a catalyst, that is, catalyst-carrying carbon particles. The ionic conductor connects the carbon particles carrying the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionic conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. The supported catalyst includes, for example, one of platinum, cobalt, rhodium, palladium and the like, or an alloy of these two. Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

カソード24を構成するガス拡散層32は、カソードガス拡散基材、およびカソードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The gas diffusion layer 32 constituting the cathode 24 has a cathode gas diffusion base material and a microporous layer applied to the cathode gas diffusion base material. The cathode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used.

カソードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。   The microporous layer applied to the cathode gas diffusion substrate is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. Further, as the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin can be used. It is preferable that the water repellent has a binding property. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.

以上説明した燃料電池10によれば、アノード22を構成する第1の触媒層26に含まれるルテニウムイオンがルテニウムよりイオン化傾向が高い金属との置換反応によりルテニウムに還元されるため、ルテニウムイオンが固体高分子電解質膜20中さらにはカソード24に移動し、カソード24が劣化することを抑制することができる。この結果、燃料電池10の発電性能の向上および長寿命化を図ることができる。   According to the fuel cell 10 described above, ruthenium ions contained in the first catalyst layer 26 constituting the anode 22 are reduced to ruthenium by a substitution reaction with a metal having a higher ionization tendency than ruthenium. It is possible to suppress the deterioration of the cathode 24 by moving to the cathode 24 in the polymer electrolyte membrane 20. As a result, the power generation performance of the fuel cell 10 can be improved and the life can be extended.

(膜電極接合体の作製方法)
ここで、本実施の形態の膜電極接合体の作製方法について説明する。
(Production method of membrane electrode assembly)
Here, a manufacturing method of the membrane electrode assembly of the present embodiment will be described.

<カソード触媒スラリー作製>
カソード触媒として、白金担持カーボン(TEC10E50E,田中貴金属工業株式会社)を用い、イオン伝導体として、SS700C溶液(20%,Ew=780,含水率=36wt%(25℃),旭化成ケミカルズ製アイオノマー溶液Aciplex(登録商標) SS700C、以下SS700と略す)を用いた。白金担持カーボン5gに対し、10mLの超純水を添加し撹拌した後に、15mLエタノールを添加した。この触媒分散溶液について、超音波スターラーを用いて1時間超音波撹拌分散を行った。所定のSS700溶液を等量の超純水で希釈を行い、ガラス棒で3分間撹拌した。この後、超音波洗浄器を用いて1時間超音波分散を行い、SS700水溶液を得た。その後、SS700水溶液をゆっくりと触媒分散液中に滴下した。滴下中は、超音波スターラーを用いて連続的に撹拌を行った。SS700水溶液滴下終了後、1-プロパノールと1-ブタノールの混合溶液10g(重量比1:1)の滴下を行い、得られた溶液を触媒スラリーとした。混合中は、すべて水温が約60℃になるように調整し、エタノールを蒸発、除去した。
<Cathode catalyst slurry preparation>
Platinum supported carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) is used as the cathode catalyst, SS700C solution (20%, Ew = 780, moisture content = 36 wt% (25 ° C)), ionomer solution Aciplex made by Asahi Kasei Chemicals (Registered trademark) SS700C (hereinafter abbreviated as SS700) was used. To 5 g of platinum-supporting carbon, 10 mL of ultrapure water was added and stirred, and then 15 mL of ethanol was added. The catalyst dispersion solution was subjected to ultrasonic stirring and dispersion for 1 hour using an ultrasonic stirrer. A predetermined SS700 solution was diluted with an equal amount of ultrapure water and stirred with a glass rod for 3 minutes. Thereafter, ultrasonic dispersion was performed for 1 hour using an ultrasonic cleaner to obtain an SS700 aqueous solution. Thereafter, the SS700 aqueous solution was slowly dropped into the catalyst dispersion. During the dropping, stirring was continuously performed using an ultrasonic stirrer. After completion of the dropwise addition of the SS700 aqueous solution, 10 g of a mixed solution of 1-propanol and 1-butanol (weight ratio 1: 1) was dropped, and the resulting solution was used as a catalyst slurry. During mixing, the water temperature was all adjusted to about 60 ° C., and ethanol was evaporated and removed.

<カソード電極の作製>
上記の方法で作製した触媒スラリーをスクリーン印刷(150メッシュ)によって、バルカンXC72によって作製した微細孔層付きのガス拡散層に塗布し、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行った。
<Production of cathode electrode>
The catalyst slurry prepared by the above method is applied by screen printing (150 mesh) to a gas diffusion layer with a microporous layer prepared by Vulcan XC72, followed by drying at 80 ° C for 3 hours and heat treatment at 180 ° C for 45 minutes. went.

<アノード第1の触媒層用の触媒スラリーの作製>
アノード第1の触媒層用の触媒スラリーの作製方法は、触媒として白金ルテニウム担持カーボン(TEC61E54、田中貴金属工業株式会社)を使用する点を除き、カソード触媒スラリーの作製方法と同様である。イオン伝導体として、SS700を用いた。
<Preparation of catalyst slurry for anode first catalyst layer>
The preparation method of the catalyst slurry for the anode first catalyst layer is the same as the preparation method of the cathode catalyst slurry, except that platinum ruthenium-supported carbon (TEC61E54, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) is used as the catalyst. SS700 was used as the ion conductor.

<アノード第2の触媒層用の触媒スラリーの作製>
アノード第2の触媒層用の触媒スラリーの作製方法は、触媒として白金コバルト担持カーボン(TEC36F52、田中貴金属工業株式会社)を使用する点を除き、カソード触媒スラリーの作製方法と同様である。イオン伝導体として、SS1100C溶液(20%,Ew=1050,含水率=20wt%(25℃),旭化成ケミカルズ製アイオノマー溶液Aciplex SS1100C、以下SS1100と略す)を用いた。
<Preparation of catalyst slurry for anode second catalyst layer>
The preparation method of the catalyst slurry for the anode second catalyst layer is the same as the preparation method of the cathode catalyst slurry, except that platinum cobalt-supported carbon (TEC36F52, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) is used as the catalyst. As an ionic conductor, an SS1100C solution (20%, Ew = 1050, moisture content = 20 wt% (25 ° C.), ionomer solution Aciplex SS1100C, hereinafter abbreviated as SS1100, manufactured by Asahi Kasei Chemicals) was used.

<アノード作製>
上記の方法で作製したアノード第1の触媒層用の触媒スラリーおよびアノード第2の触媒層用の触媒スラリーを順にスクリーン印刷(150メッシュ)によって、バルカンXC72によって作製した微細孔層付きのガス拡散層に塗布し、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行った。
<Anode fabrication>
A gas diffusion layer with a microporous layer produced by Vulcan XC72 by screen printing (150 mesh) in order of the catalyst slurry for the anode first catalyst layer and the catalyst slurry for the anode second catalyst layer produced by the above method And then heat-treated at 80 ° C. for 3 hours and at 180 ° C. for 45 minutes.

<膜電極接合体の作製>
上記の方法で作製したアノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を狭持した状態でホットプレスを行う。固体高分子電解質膜としてAciplex(登録商標)(SF7201x、旭化成ケミカルズ製)を用いた。170℃、200秒の接合条件でアノード、固体高分子電解質膜、およびカソードをホットプレスすることによって膜電極接合体を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Hot pressing is performed with the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode and cathode produced by the above method. Aciplex (registered trademark) (SF7201x, manufactured by Asahi Kasei Chemicals) was used as the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly was produced by hot pressing the anode, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode under the bonding conditions of 170 ° C. and 200 seconds.

(実施の形態2)
図3は、実施の形態2に係る燃料電池10の構造を示す断面図である。本実施の形態の燃料電池10では、1層の触媒層29がガス拡散層28と固体高分子電解質膜20との間に設けられている。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the fuel cell 10 according to the second embodiment. In the fuel cell 10 of the present embodiment, one catalyst layer 29 is provided between the gas diffusion layer 28 and the solid polymer electrolyte membrane 20.

触媒層29は、イオン伝導体(イオン交換樹脂)と、第1の合金触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子と、第2の合金触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。   The catalyst layer 29 includes an ion conductor (ion exchange resin), carbon particles supporting the first alloy catalyst, that is, catalyst-supporting carbon particles, and carbon particles supporting the second alloy catalyst, that is, catalyst-supporting carbon particles. Is done.

イオン伝導体は、第1の合金触媒を担持した炭素粒子または第2の合金触媒を担持した炭素粒子と、固体高分子電解質膜20とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。   The ionic conductor connects the carbon particles supporting the first alloy catalyst or the carbon particles supporting the second alloy catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionic conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20.

第1の合金触媒は、貴金属とルテニウムとからなる。第1の合金触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。第1の合金触媒を担持する炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどが挙げられる。   The first alloy catalyst is composed of a noble metal and ruthenium. Examples of the noble metal used for the first alloy catalyst include platinum and palladium. Examples of the carbon particles supporting the first alloy catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

第2の合金触媒は、貴金属とルテニウムよりイオン化傾向が高い金属とからなる。第2の合金触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。ルテニウムよりイオン化傾向が高い金属として、たとえば、コバルト、ニッケル、鉄、タンタル、モリブデンが挙げられる。   The second alloy catalyst is composed of a noble metal and a metal having a higher ionization tendency than ruthenium. Examples of the noble metal used for the second alloy catalyst include platinum and palladium. Examples of metals having a higher ionization tendency than ruthenium include cobalt, nickel, iron, tantalum, and molybdenum.

これによれば、イオン化傾向、言い換えると標準電極電位の違いにより、触媒層29において溶出したルテニウムイオンがルテニウムに還元され、コバルトがコバルトイオンに酸化される。アノード22を構成する触媒層29に含まれるルテニウムイオンがルテニウムよりイオン化傾向が高い金属との置換反応によりルテニウムに還元されるため、ルテニウムイオンが固体高分子電解質膜20中さらにはカソード24に移動し、カソード24が劣化することを抑制することができる。この結果、燃料電池10の発電性能の向上および長寿命化を図ることができる。   According to this, ruthenium ions eluted in the catalyst layer 29 are reduced to ruthenium due to an ionization tendency, in other words, a difference in standard electrode potential, and cobalt is oxidized to cobalt ions. Since ruthenium ions contained in the catalyst layer 29 constituting the anode 22 are reduced to ruthenium by a substitution reaction with a metal having a higher ionization tendency than ruthenium, the ruthenium ions move to the cathode 24 in the solid polymer electrolyte membrane 20. The cathode 24 can be prevented from deteriorating. As a result, the power generation performance of the fuel cell 10 can be improved and the life can be extended.

なお、触媒層29に関し、固体高分子電解質膜20の側において、第2の金属触媒が第1の金属触媒に比べて偏在していることが好ましい。これによれば、固体高分子電解質膜20の側において、ルテニウムイオンがルテニウムイオンに還元されやすくなるため、ルテニウムイオンが触媒層29から固体高分子電解質膜20へ移動することをより効果的に抑制することができる。   Regarding the catalyst layer 29, it is preferable that the second metal catalyst is unevenly distributed on the solid polymer electrolyte membrane 20 side as compared with the first metal catalyst. According to this, since the ruthenium ions are easily reduced to the ruthenium ions on the solid polymer electrolyte membrane 20 side, the ruthenium ions are more effectively suppressed from moving from the catalyst layer 29 to the solid polymer electrolyte membrane 20. can do.

第2の金属触媒が第1の金属触媒に比べて偏在していることとは、たとえば、固体高分子電解質膜20の側の厚さ1μmの触媒層29の領域において、厚さ1μmの触媒層29の重量に対する第2の金属触媒の重量%が第1の金属触媒の重量%より大きいことをいう。   The fact that the second metal catalyst is unevenly distributed as compared with the first metal catalyst means that, for example, in the region of the catalyst layer 29 having a thickness of 1 μm on the solid polymer electrolyte membrane 20 side, the catalyst layer having a thickness of 1 μm. The weight percentage of the second metal catalyst relative to the weight of 29 is greater than the weight percentage of the first metal catalyst.

また、イオン伝導体の含水率は、固体高分子電解質膜20の含水率より低いことが好適である。言い換えると、イオン伝導体のEwは、固体高分子電解質膜20のEwに比べて高いことが好適である。これによれば、触媒層29から固体高分子電解質膜20へのルテニウムイオンの拡散速度が減少するため、上述した置換反応が生じやすくなる。   The water content of the ionic conductor is preferably lower than the water content of the solid polymer electrolyte membrane 20. In other words, it is preferable that Ew of the ionic conductor is higher than Ew of the solid polymer electrolyte membrane 20. According to this, since the diffusion rate of ruthenium ions from the catalyst layer 29 to the solid polymer electrolyte membrane 20 is reduced, the above-described substitution reaction is likely to occur.

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.

実施の形態1に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 図1のA−A線上の断面図である。It is sectional drawing on the AA line of FIG. 実施の形態2に係る燃料電池10の構造を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing a structure of a fuel cell 10 according to Embodiment 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、20 固体高分子電解質膜、22 アノード、24 カソード、26 第1の触媒層、27 第2の触媒層、29、30 触媒層、28、32 ガス拡散層、34、36 セパレータ、50 膜電極接合体。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 20 Solid polymer electrolyte membrane, 22 Anode, 24 Cathode, 26 1st catalyst layer, 27 2nd catalyst layer, 29, 30 Catalyst layer, 28, 32 Gas diffusion layer, 34, 36 Separator, 50 Membrane electrode assembly.

Claims (2)

電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、
を備え、
前記アノードは、
イオン伝導体と、
貴金属とルテニウムとからなる第1の合金触媒と、
貴金属とルテニウムよりイオン化傾向が高い金属とからなる第2の合金触媒と、
を含み、
前記電解質膜の側において前記第2の合金触媒が前記第1の合金触媒に比べて偏在していることを特徴とする膜電極接合体。
An electrolyte membrane;
An anode provided on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane;
With
The anode is
An ionic conductor;
A first alloy catalyst comprising a noble metal and ruthenium;
A second alloy catalyst comprising a noble metal and a metal having a higher ionization tendency than ruthenium;
Including
The membrane electrode assembly, wherein the second alloy catalyst is unevenly distributed on the electrolyte membrane side as compared with the first alloy catalyst .
請求項に記載の膜電極接合体を有する燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1 .
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