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JP7396196B2 - Laminate for fuel cells - Google Patents

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JP7396196B2 JP2020089634A JP2020089634A JP7396196B2 JP 7396196 B2 JP7396196 B2 JP 7396196B2 JP 2020089634 A JP2020089634 A JP 2020089634A JP 2020089634 A JP2020089634 A JP 2020089634A JP 7396196 B2 JP7396196 B2 JP 7396196B2
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Description

本発明は、燃料電池用の積層体に関する。 The present invention relates to a laminate for fuel cells.

水素等のアノードガスと、酸素等のカソードガスとを、化学反応させることによって発電を行う、燃料電池が知られている。 Fuel cells are known that generate electricity by chemically reacting an anode gas such as hydrogen and a cathode gas such as oxygen.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に、それぞれ、水素等のアノードガス(燃料ガス)と酸素等のカソードガス(酸化剤ガス)を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。 In a fuel cell, an anode gas (fuel gas) such as hydrogen and a cathode gas (oxidant gas) such as oxygen are supplied to two electrically connected electrodes, and the fuel is electrochemically oxidized. This directly converts chemical energy into electrical energy.

アノードガスとして水素が供給されたアノード(燃料極)では、下記式(a)の反応が進行する。
→ 2H + 2e ・・・(a)
At the anode (fuel electrode) to which hydrogen is supplied as anode gas, the reaction of formula (a) below proceeds.
H 2 → 2H + + 2e -... (a)

上記式(a)で生じる電子(e)は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後に、カソード(酸化剤極)に到達する。他方で、上記式(a)で生じたプロトン(H)は、水と水和した状態で、電気浸透により、アノードとカソードとに挟まれた電解質膜内を、アノード側からカソード側に移動する。 The electrons (e ) generated in the above formula (a) pass through an external circuit, do work with an external load, and then reach the cathode (oxidant electrode). On the other hand, the protons (H + ) generated in the above formula (a), while hydrated with water, move from the anode side to the cathode side within the electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode by electroosmosis. do.

一方、カソードでは、電解質膜を通過した上記式(a)で生じたプロトン(H)と、カソードガスとして供給された酸素と、外部回路を経由した上記式(a)で生じた電子(e)とが、下記式(b)の反応を進行させる。
2H + 1/2O + 2e → HO ・・・(b)
On the other hand, at the cathode, protons (H + ) generated by the above formula (a) that have passed through the electrolyte membrane, oxygen supplied as cathode gas, and electrons (e) generated by the above formula (a) via an external circuit. - ) causes the reaction of the following formula (b) to proceed.
2H + + 1/2O 2 + 2e - → H 2 O ... (b)

したがって、電池全体では下記式(c)に示す化学反応が進行し、起電力が生じて、外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
+ 1/2O → HO ・・・(c)
Therefore, the chemical reaction shown in the following formula (c) proceeds in the entire battery, generating an electromotive force and performing electrical work on the external load.
H 2 + 1/2O 2 → H 2 O...(c)

このような燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする単セルを、複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、等の利点を有することから、特にモバイル機器等の携帯用、あるいは電気自動車等の移動体用の電源として期待されている。 Such fuel cells are usually constructed by stacking a plurality of single cells each having a basic structure of a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among these, solid polymer electrolyte fuel cells that use solid polymer electrolyte membranes as electrolyte membranes have advantages such as being easy to downsize and operating at low temperatures, so they are particularly popular in mobile devices and other devices. It is expected to be used as a power source for mobile devices such as portable devices and electric vehicles.

ここで、固体高分子電解質型燃料電池の単セルの構成としては、例えば、アノード側セパレーター、アノード側ガス拡散層、アノード側触媒層、電解質膜、カソード側触媒層、カソード側ガス拡散層、及びカソード側セパレーターが、この順に積層された積層体が知られている。 Here, the configuration of a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell includes, for example, an anode-side separator, an anode-side gas diffusion layer, an anode-side catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode-side catalyst layer, a cathode-side gas diffusion layer, and A laminate in which cathode-side separators are stacked in this order is known.

そして、ガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質の拡散層基材層の表面に、マイクロポーラス層(MPL)が積層された積層体となっている。マイクロポーラス層(MPL)は、拡散層基材層の表面に、材料となるペーストを塗工することで形成される。MPLが形成されたガス拡散層は、優れたガス拡散性を有する。 The gas diffusion layer is a laminate in which a microporous layer (MPL) is laminated on the surface of a conductive porous diffusion layer base material layer such as carbon paper or carbon cloth. The microporous layer (MPL) is formed by applying a material paste to the surface of the diffusion layer base layer. The gas diffusion layer in which MPL is formed has excellent gas diffusion properties.

このような燃料電池においては、反応の過程で過酸化水素が生成する場合がある。そして、生成した過酸化水素は、電解質成分であるアイオノマーを分解する。その結果、アイオノマーが主成分である電解質膜や、アイオノマーを成分として含む触媒層が劣化し、電池の耐久性に問題を生じさせていた。 In such fuel cells, hydrogen peroxide may be generated during the reaction process. The generated hydrogen peroxide then decomposes the ionomer, which is an electrolyte component. As a result, the electrolyte membrane containing the ionomer as a main component and the catalyst layer containing the ionomer as a component deteriorate, causing problems in battery durability.

これに対して、燃料電池セルを構成する電解質膜として、セリウム含有物質を用いることが知られている。セリウム含有物質から放出されるセリウムイオンは、過酸化水素を分解する触媒としての機能を有する。 On the other hand, it is known to use a cerium-containing substance as an electrolyte membrane constituting a fuel cell. Cerium ions released from a cerium-containing substance function as a catalyst for decomposing hydrogen peroxide.

しかしながら、セリウムイオン(Ce3+)は、電解質膜や触媒層に含まれるアイオノマー中のスルホン酸基(-SO )に吸着し、その吸着率が高いと、プロトンの伝導を阻害する。このため、セリウムイオン(Ce3+)の濃度が高すぎる場合には、燃料電池の発電性能が低下する場合があった。 However, cerium ions (Ce 3+ ) are adsorbed to sulfonic acid groups (-SO 3 ) in the ionomer contained in the electrolyte membrane or the catalyst layer, and when the adsorption rate is high, proton conduction is inhibited. Therefore, if the concentration of cerium ions (Ce 3+ ) is too high, the power generation performance of the fuel cell may deteriorate.

図6に、セリウムイオン(Ce3+)が、電解質膜を構成するアイオノマー中のスルホン酸基(-SO )に吸着して、スルホン酸基のプロトン(H)を置換した場合の置換率と、相対湿度30%における電解質膜のプロトン抵抗値(相対値)との関係を示す。図6に示されるように、電解質膜におけるセリウムイオン(Ce3+)置換率が高すぎる場合には、電解質膜のプロトン抵抗値が上昇してしまい、プロトン伝導阻害の程度が大きくなることが判る。 Figure 6 shows the substitution rate when cerium ion (Ce 3+ ) adsorbs to the sulfonic acid group (-SO 3 ) in the ionomer constituting the electrolyte membrane and replaces the proton (H + ) of the sulfonic acid group. and the proton resistance value (relative value) of the electrolyte membrane at a relative humidity of 30%. As shown in FIG. 6, it can be seen that when the cerium ion (Ce 3+ ) substitution rate in the electrolyte membrane is too high, the proton resistance value of the electrolyte membrane increases, and the degree of inhibition of proton conduction increases.

また、図7には、電解質膜におけるスルホン酸基(-SO )のプロトン(H)のセリウムイオン(Ce3+)への置換率と、燃料電池の出力との関係を示す。図7に示されるように、電解質膜におけるセリウムイオン(Ce3+)置換率が大きくなるほど、燃料電池の出力が低下していくことが判る。 Further, FIG. 7 shows the relationship between the substitution rate of protons (H + ) of sulfonic acid groups (-SO 3 ) in the electrolyte membrane with cerium ions (Ce 3+ ) and the output of the fuel cell. As shown in FIG. 7, it can be seen that as the cerium ion (Ce 3+ ) substitution rate in the electrolyte membrane increases, the output of the fuel cell decreases.

そこで、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態においては、ガス拡散層を構成するマイクロポーラス層(MPL)のみに、セリウム含有化合物を添加することが提案されている(特許文献1参照)。 Therefore, it has been proposed to add a cerium-containing compound only to the microporous layer (MPL) that constitutes the gas diffusion layer in the initial state when the fuel cell is started to be used after manufacturing (see Patent Document 1). ).

特許文献1によれば、電池の使用が開始された後に、セリウム含有化合物はイオン化してセリウムイオンを放出し、セリウムイオンがマイクロポーラス層(MPL)から溶出して、触媒層を通過して電解質膜へと移動する。そして、電解質膜に到達したセリウムイオンは、濡れ渇きや電位によって膜中のアイオノマー内を移動することで、過酸化水素を分解する触媒として機能して、電解質膜の膜痩せを防止し、これにより燃料電池の化学的耐久性を向上させる。 According to Patent Document 1, after the use of the battery is started, the cerium-containing compound is ionized and releases cerium ions, and the cerium ions are eluted from the microporous layer (MPL) and pass through the catalyst layer to the electrolyte. Move to the membrane. The cerium ions that reach the electrolyte membrane function as a catalyst to decompose hydrogen peroxide by moving within the ionomer in the membrane due to wetting and drying and electric potential, thereby preventing thinning of the electrolyte membrane. Improve the chemical durability of fuel cells.

特開2018-190584号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-190584

しかしながら、本発明者は、セリウム含有化合物をマイクロポーラス層(MPL)のみに添加した態様では、製造後の使用開始時となる初期状態では、電解質膜にセリウムイオンが存在していないため、使用開始後しばらくは、電解質膜の膜痩せを回避できない場合があるとの知見を得た。 However, in the embodiment in which a cerium-containing compound is added only to the microporous layer (MPL), cerium ions are not present in the electrolyte membrane in the initial state at the start of use after manufacture. It has been found that thinning of the electrolyte membrane may not be avoided for some time afterwards.

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、燃料電池の製造後、使用開始の直後から電解質膜の膜痩せを抑制するとともに、耐久性の高い燃料電池を実現することのできる、燃料電池用の積層体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned background, and is capable of suppressing film thinning of an electrolyte membrane immediately after manufacturing a fuel cell and starting use, and realizing a highly durable fuel cell. The purpose of the present invention is to provide a laminate for fuel cells.

本発明者は、上記の課題を解決するため鋭意研究を行った。そして、燃料電池の製造時に、電解質膜に適量のセリウムイオンを存在させるとともに、使用の際には、マイクロポーラス層から溶出したセリウムイオンが、電解質膜に誘導されるようにすれば、燃料電池の製造後、使用開始の直後から電解質膜の膜痩せを抑制でき、かつ耐久性にも優れた燃料電池を実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は、以下のとおりである。 The present inventor conducted extensive research to solve the above problems. Then, when producing a fuel cell, an appropriate amount of cerium ions are present in the electrolyte membrane, and when used, the cerium ions eluted from the microporous layer are guided to the electrolyte membrane. The present inventors have discovered that it is possible to suppress thinning of the electrolyte membrane immediately after manufacture and immediately after the start of use, and to realize a fuel cell with excellent durability, leading to the completion of the present invention. That is, the present invention is as follows.

ガス拡散層、触媒層、及び電解質膜が、この順に積層されている燃料電池用の積層体であって、
前記ガス拡散層は、前記触媒層側から、マイクロポーラス層、及び拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記マイクロポーラス層は、セリウム含有酸化物を含み、
前記触媒層、及び前記電解質膜は、スルホン酸基を有するアイオノマーを含み、
燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、前記スルホン酸基のプロトンの一部は、セリウムイオンに置換されており、
前記触媒層における前記セリウムイオンへの置換率は、前記電解質膜における前記セリウムイオンへの置換率よりも大きい、
燃料電池用の積層体。
A stacked body for a fuel cell in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, and an electrolyte membrane are stacked in this order,
The gas diffusion layer includes a microporous layer and a diffusion layer base material layer stacked in this order from the catalyst layer side,
The microporous layer includes a cerium-containing oxide,
The catalyst layer and the electrolyte membrane include an ionomer having a sulfonic acid group,
In the initial state when a stack for a fuel cell is formed, some of the protons of the sulfonic acid group are substituted with cerium ions,
The substitution rate of the cerium ions in the catalyst layer is greater than the substitution rate of the cerium ions in the electrolyte membrane.
Laminate for fuel cells.

本発明の燃料電池用の積層体によれば、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、電解質膜がセリウムイオンを有することで、燃料電池の使用開始の直後から、電解質膜の膜痩せを抑制することができる。 According to the laminate for a fuel cell of the present invention, since the electrolyte membrane has cerium ions in the initial state at the time of starting use of the fuel cell after manufacturing, the electrolyte membrane has cerium ions immediately after the start of use of the fuel cell. Membrane thinning can be suppressed.

また、本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、触媒層と電解質膜のそれぞれに含まれるアイオノマーの間に、セリウムイオン置換率の濃度勾配を有することで、燃料電池の使用中に、マイクロポーラス層から溶出したセリウムイオンを、電解質膜側へ誘導することが可能となる。 In addition, in the fuel cell stack of the present invention, in the initial state at the time of starting use after manufacturing the fuel cell, there is a concentration gradient of the cerium ion substitution rate between the ionomers contained in each of the catalyst layer and the electrolyte membrane. By having this, it becomes possible to guide cerium ions eluted from the microporous layer to the electrolyte membrane side during use of the fuel cell.

したがって、長期の使用期間において電解質膜のセリウムイオンが生成水等と共に少しずつ失われる場合にも、マイクロポーラス層から電解質膜にセリウムイオンを少しずつ補充することが可能となり、電解質膜におけるセリウムイオン濃度の急激な上昇を抑制することが可能となる。その結果、燃料電池の使用開始の直後から電解質膜の膜痩せを抑制しつつ、電解質膜のプロトン抵抗値の上昇を抑制することができ、燃料電池の出力性能を長期間維持することができる。 Therefore, even if cerium ions in the electrolyte membrane are lost little by little along with generated water etc. over a long period of use, it is possible to replenish the electrolyte membrane with cerium ions little by little from the microporous layer, resulting in a concentration of cerium ions in the electrolyte membrane. This makes it possible to suppress a sudden rise in . As a result, it is possible to suppress thinning of the electrolyte membrane immediately after the start of use of the fuel cell, and to suppress an increase in the proton resistance value of the electrolyte membrane, and it is possible to maintain the output performance of the fuel cell for a long period of time.

一実施形態に係る燃料電池用の積層体の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a stack for a fuel cell according to one embodiment. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の積層体の初期状態におけるセリウムイオン置換率を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the cerium ion replacement rate in an initial state of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 燃料電池の耐久時間と電解質膜中のセリウムイオンの濃度との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the durability time of a fuel cell and the concentration of cerium ions in an electrolyte membrane. 比較例1の燃料電池の積層体の各層におけるセリウムイオン置換率を示す図である。3 is a diagram showing the cerium ion substitution rate in each layer of the fuel cell stack of Comparative Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池の積層体の各層におけるセリウムイオン置換率を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the cerium ion substitution rate in each layer of the fuel cell stack of Example 1. セリウムイオンへの置換率と電解質膜のプロトン抵抗値との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the substitution rate to cerium ions and the proton resistance value of the electrolyte membrane. セリウムイオンへの置換率と燃料電池の出力との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the substitution rate to cerium ions and the output of the fuel cell.

以下、本発明の実施の形態について詳述する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、種々変形して実施することができる。 Embodiments of the present invention will be described in detail below. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, but can be implemented with various modifications.

《燃料電池用の積層体》
本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池セルを構成する積層体の少なくとも一部であり、ガス拡散層、触媒層、及び電解質膜が、この順に積層されている積層体である。そして、ガス拡散層は、触媒層側から、マイクロポーラス層、及び拡散層基材層が、この順に積層されている。
《Laminated body for fuel cells》
The laminate for a fuel cell of the present invention is at least a part of a laminate that constitutes a fuel cell, and is a laminate in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, and an electrolyte membrane are laminated in this order. In the gas diffusion layer, a microporous layer and a diffusion layer base material layer are laminated in this order from the catalyst layer side.

本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、マイクロポーラス層がセリウム含有酸化物を含んでおり、触媒層、及び電解質膜が含むスルホン酸基を有するアイオノマーにおけるプロトンの一部が、セリウムイオンに置換されており、触媒層における置換率と電解質膜における置換率が、特定の関係を有する。 In the fuel cell laminate of the present invention, in the initial state after forming the fuel cell laminate, the microporous layer contains a cerium-containing oxide, and the catalyst layer and the electrolyte membrane have sulfonic acid groups. A portion of the protons in the ionomer are substituted with cerium ions, and the substitution rate in the catalyst layer and the substitution rate in the electrolyte membrane have a specific relationship.

本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、電解質膜がセリウムイオンを有することで、燃料電池の使用開始の直後から、電解質膜の膜痩せを抑制することができる。 In the fuel cell laminate of the present invention, the electrolyte membrane has cerium ions in the initial state when the fuel cell is started to be used, so that the electrolyte membrane can be thinned immediately after the fuel cell starts to be used. can be suppressed.

また、本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、触媒層と電解質膜のそれぞれに含まれるアイオノマーのセリウムイオン置換率が、特定の関係を有することで、燃料電池の使用中に、マイクロポーラス層から溶出したセリウムイオンを、電解質膜側へ誘導することが可能となる。 In addition, in the fuel cell stack of the present invention, the cerium ion substitution rate of the ionomer contained in each of the catalyst layer and the electrolyte membrane has a specific relationship in the initial state at the time of starting use after manufacturing the fuel cell. By having this, it becomes possible to guide cerium ions eluted from the microporous layer to the electrolyte membrane side during use of the fuel cell.

したがって、長期の使用期間において電解質膜のセリウムイオンが生成水等と共に少しずつ失われる場合にも、マイクロポーラス層から電解質膜にセリウムイオンを少しずつ補充することが可能となり、電解質膜におけるセリウムイオン濃度の急激な上昇を抑制することが可能となる。その結果、燃料電池の使用開始の直後から電解質膜の膜痩せを抑制しつつ、電解質膜のプロトン抵抗値の上昇を抑制することができ、燃料電池の出力性能を長期間維持することができる。 Therefore, even if cerium ions in the electrolyte membrane are lost little by little along with generated water etc. over a long period of use, it is possible to replenish the electrolyte membrane with cerium ions little by little from the microporous layer, resulting in a concentration of cerium ions in the electrolyte membrane. This makes it possible to suppress a sudden rise in . As a result, it is possible to suppress thinning of the electrolyte membrane immediately after the start of use of the fuel cell, and to suppress an increase in the proton resistance value of the electrolyte membrane, and it is possible to maintain the output performance of the fuel cell for a long period of time.

本発明の燃料電池用の積層体は、ガス拡散層、触媒層、及び電解質膜を、必須の構成要素としていれば、その他の層が存在していてもよい。その他の層としては、例えば、セパレーター等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The laminate for a fuel cell of the present invention may include other layers as long as it includes a gas diffusion layer, a catalyst layer, and an electrolyte membrane as essential components. Examples of other layers include, but are not limited to, separators.

また、本発明の燃料電池用の積層体は、電解質膜と、アノード側触媒層、及びアノード側ガス拡散層であっても、電解質膜と、カソード側触媒層、及びカソード側ガス拡散層であっても、アノード側及びカソード側の両者を含む、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)であってもよい。 Furthermore, the laminate for a fuel cell of the present invention may include an electrolyte membrane, an anode side catalyst layer, and an anode side gas diffusion layer, or an electrolyte membrane, a cathode side catalyst layer, and a cathode side gas diffusion layer. Alternatively, it may be a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA) including both an anode side and a cathode side.

一般的な燃料電池セルに格納される積層体の構成としては、例えば、アノード側セパレーター、アノード側ガス拡散層、アノード側触媒層、電解質膜、カソード側触媒層、カソード側ガス拡散層、及びカソード側セパレーターが、この順に積層された積層体が挙げられる。 The structure of the laminate stored in a typical fuel cell includes, for example, an anode separator, an anode gas diffusion layer, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, a cathode gas diffusion layer, and a cathode gas diffusion layer. A laminate in which side separators are laminated in this order can be mentioned.

図1は、一実施形態に係る本発明の燃料電池用の積層体の断面図である。一実施形態に係る積層体100は、アノード側拡散層基材層11及びアノード側マイクロポーラス層12が積層されたアノード側ガス拡散層10、アノード側触媒層15、電解質膜30、カソード側触媒層25、並びに、カソード側拡散層基材層21及びカソード側マイクロポーラス層22が積層されたカソード側ガス拡散層20が、この順に積層された積層体である。 FIG. 1 is a sectional view of a laminate for a fuel cell of the present invention according to one embodiment. The laminate 100 according to one embodiment includes an anode gas diffusion layer 10 in which an anode diffusion layer base material layer 11 and an anode microporous layer 12 are laminated, an anode catalyst layer 15, an electrolyte membrane 30, and a cathode catalyst layer. 25, and the cathode gas diffusion layer 20 in which the cathode diffusion layer base material layer 21 and the cathode microporous layer 22 are laminated in this order.

図1に示される積層体100においては、アノード側及びカソード側それぞれにおいて、ガス拡散層におけるマイクロポーラス層が、触媒層に面している。 In the laminate 100 shown in FIG. 1, the microporous layer in the gas diffusion layer faces the catalyst layer on each of the anode side and the cathode side.

<ガス拡散層>
本発明の燃料電池用の積層体において、ガス拡散層は、必須の構成層である。そして、本発明の積層体においては、ガス拡散層は、触媒層に隣接している。
<Gas diffusion layer>
In the fuel cell laminate of the present invention, the gas diffusion layer is an essential constituent layer. In the laminate of the present invention, the gas diffusion layer is adjacent to the catalyst layer.

ガス拡散層は、供給される反応ガスを拡散させて均一にし、隣接する触媒層にガスを行き渡らせる機能を有する。 The gas diffusion layer has the function of diffusing and making the supplied reaction gas uniform, and spreading the gas to adjacent catalyst layers.

本発明においてガス拡散層は、拡散層基材層にマイクロポーラス層が積層された積層体となっている。そして、マイクロポーラス層が、隣接する触媒層に面するように配置される。 In the present invention, the gas diffusion layer is a laminate in which a microporous layer is laminated on a diffusion layer base material layer. Then, the microporous layer is arranged so as to face the adjacent catalyst layer.

(拡散層基材層)
ガス拡散層における拡散層基材層は、隣接する触媒層に、反応ガスを供給する多孔質の層である。拡散層基材層は、ガス透過性を有するとともに、導電性を有する材料で構成されることが好ましい。
(Diffusion layer base material layer)
The diffusion layer base material layer in the gas diffusion layer is a porous layer that supplies reactive gas to the adjacent catalyst layer. The diffusion layer base material layer is preferably made of a material that is gas permeable and electrically conductive.

本発明の燃料電池用の積層体においては、拡散層基材として一般的に用いられる材料であれば、特に限定されることなく用いることができ、例えば、カーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、又は金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等を挙げることができる。なお、カーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体は、例えば、炭素繊維と、焼成により炭化する樹脂等のバインダーから形成されていてもよい。 In the fuel cell laminate of the present invention, any material that is commonly used as a diffusion layer base material can be used without particular limitation. For example, carbon porous materials such as carbon paper or carbon cloth can be used. or a metal porous body such as a metal mesh or a metal foam. Note that the carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth may be made of, for example, carbon fibers and a binder such as a resin that is carbonized by firing.

なお、本発明において、ガス拡散層を構成する拡散層基材層の細孔径、密度、厚み等は、アノード側及びカソード側のいずれの場合であっても、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。 In the present invention, the pore diameter, density, thickness, etc. of the diffusion layer base material layer constituting the gas diffusion layer are not particularly limited, regardless of whether it is on the anode side or the cathode side. It can be set as appropriate depending on the required performance of the fuel cell.

(マイクロポーラス層(MPL))
ガス拡散層におけるマイクロポーラス層は、拡散層基材層の上に存在し、触媒層側に配置される層となる。燃料電池用の積層体を構成するガス拡散層にMPLが形成されることにより、燃料電池セルにおけるガス拡散性が向上する。
(Microporous layer (MPL))
The microporous layer in the gas diffusion layer is a layer that exists on the diffusion layer base material layer and is disposed on the catalyst layer side. By forming MPL in the gas diffusion layer constituting the stacked body for fuel cells, gas diffusivity in the fuel cell is improved.

マイクロポーラス層(MPL)の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、拡散層基材の表面に、MPL形成用スラリーをダイコータ等によって塗工し、あるいは、MPL形成用ペーストを塗工ヘッドから吐出して塗工し、その後、乾燥及び焼成する方法が挙げられる。 The method for manufacturing the microporous layer (MPL) is not particularly limited, but for example, a slurry for forming the MPL is applied to the surface of the diffusion layer base material using a die coater, or a paste for forming the MPL is applied. An example of this method is to apply the coating by discharging it from a processing head, and then drying and baking it.

本発明の燃料電池用の積層体を構成するガス拡散層は、アノード側及びカソード側のいずれの場合であってもよいが、いずれの場合であってもマイクロポーラス層(MPL)は、燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、過酸化水素分解触媒であるセリウムイオンを発生させるセリウム含有酸化物を含んでいる。 The gas diffusion layer constituting the laminate for a fuel cell of the present invention may be on either the anode side or the cathode side, but in either case, the microporous layer (MPL) is In the initial state when the laminate is formed, it contains a cerium-containing oxide that generates cerium ions, which are hydrogen peroxide decomposition catalysts.

したがって、本発明の燃料電池用の積層体において、マイクロポーラス層(MPL)を形成するためのMPL形成用スラリー、又はMPL形成用ペーストは、アノード側及びカソード側のいずれの場合であっても、セリウム含有酸化物を必須の成分として含む組成物となる。 Therefore, in the fuel cell laminate of the present invention, the MPL forming slurry or MPL forming paste for forming the microporous layer (MPL) may be used on either the anode side or the cathode side. This results in a composition containing a cerium-containing oxide as an essential component.

セリウム含有酸化物としては、特に限定されるものではなく、例えば、酸化セリウム(CeO)が挙げられる。 The cerium-containing oxide is not particularly limited, and includes, for example, cerium oxide (CeO 2 ).

また、ガス拡散層におけるマイクロポーラス層を構成するその他の成分は、特に限定されるものではないが、一般に、炭素粒子と撥水性樹脂とが主成分となっている。 Further, other components constituting the microporous layer in the gas diffusion layer are not particularly limited, but generally include carbon particles and water-repellent resin as main components.

炭素粒子としては、例えば、カーボンブラック、グラフェン、又は黒鉛等の粒子等を挙げることができる。 Examples of the carbon particles include particles of carbon black, graphene, graphite, and the like.

炭素粒子の平均一次粒子径は、25nm~70nmであってよい。炭素粒子の平均一次粒子径は、25nm以上、45nm以上、又は65nm以上であってよく、70nm以下、60nm以下、又は50nm以下であってよい。 The average primary particle size of the carbon particles may be 25 nm to 70 nm. The average primary particle diameter of the carbon particles may be 25 nm or more, 45 nm or more, or 65 nm or more, and may be 70 nm or less, 60 nm or less, or 50 nm or less.

なお、炭素粒子の平均一次粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)や走査型電子顕微鏡(SEM)等の電子顕微鏡を用いて、無作為に選択した100個以上の粒子について定方向径(Feret径)を測定し、得られた測定値を算術平均した値である。 Note that the average primary particle diameter of carbon particles is calculated using an electron microscope such as a transmission electron microscope (TEM) or a scanning electron microscope (SEM). This value is the arithmetic average of the measured values obtained.

撥水性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素系の高分子材料や、ポリプロピレン、ポリエチレン等を挙げることができる。 Examples of the water-repellent resin include fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polypropylene, Examples include polyethylene.

本発明の燃料電池用の積層体において、ガス拡散層を構成するマイクロポーラス層(MPL)の厚みは、アノード側及びカソード側のいずれの場合であっても、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。例えば、20μm以上であってもよい。 In the fuel cell laminate of the present invention, the thickness of the microporous layer (MPL) constituting the gas diffusion layer is not particularly limited, regardless of whether it is on the anode side or the cathode side. It can be set as appropriate depending on the required performance of the fuel cell. For example, it may be 20 μm or more.

<触媒層>
触媒層は、本発明の燃料電池用の積層体において、必須の構成層である。本発明の燃料電池用の積層体においては、触媒層は、ガス拡散層と、電解質膜との間に配置される。
<Catalyst layer>
The catalyst layer is an essential constituent layer in the fuel cell stack of the present invention. In the fuel cell stack of the present invention, the catalyst layer is arranged between the gas diffusion layer and the electrolyte membrane.

本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側及びカソード側のいずれの場合であってもよいが、いずれの場合であっても触媒層は、燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、スルホン酸基を有するアイオノマーを含み、当該スルホン酸基のプロトン(H)の一部が、セリウムイオンに置換されている。 The stack for fuel cells of the present invention may be on either the anode side or the cathode side, but in either case, the catalyst layer is in the initial state when forming the stack for fuel cells. , contains an ionomer having a sulfonic acid group, and a portion of the protons (H + ) of the sulfonic acid group are substituted with cerium ions.

本発明の燃料電池用の積層体において、触媒層を構成する材料は、上記した、スルホン酸基を含むアイオノマー、及び当該スルホン酸基のプロトン(H)の一部がセリウムイオンに置換されたアイオノマーを含んでいれば、その他の成分は特に限定されるものではなく、公知の触媒層を形成する材料を適用することができる。 In the fuel cell laminate of the present invention, the material constituting the catalyst layer is the above-mentioned ionomer containing a sulfonic acid group, and a portion of the protons (H + ) of the sulfonic acid group are substituted with cerium ions. Other components are not particularly limited as long as they contain an ionomer, and any known catalyst layer forming material can be used.

本発明の積層体における触媒層がアノード側の触媒層である場合には、反応ガスである水素(H)を、プロトン(H)と電子(e)に分解する機能を有する。一方で、カソード側の触媒層のである場合には、プロトン(H)と電子(e)と酸素(O)から、水(HO)を生成する機能を有する。 When the catalyst layer in the laminate of the present invention is the catalyst layer on the anode side, it has a function of decomposing hydrogen (H 2 ), which is a reaction gas, into protons (H + ) and electrons (e ). On the other hand, the catalyst layer on the cathode side has the function of generating water (H 2 O) from protons (H + ), electrons (e ), and oxygen (O 2 ).

アノード側及びカソード側の触媒層は、同様の材料で形成することができる。例えば、白金や白金合金等の触媒を担持した導電性の担体が用いられ、更に具体的には、例えば、導電性物質として機能するカーボンブラック等の炭素粒子に触媒が担持された、触媒担持炭素粒子と、上記した電解質膜の構成成分である、イオン交換基によりプロトン伝導性を発現する電解質成分と、から構成される層が挙げられる。触媒担持炭素粒子が、プロトン伝導性を有するアイオノマー等の電解質成分により被覆されて形成された層であってもよい。 The catalyst layers on the anode side and the cathode side can be formed of similar materials. For example, a conductive carrier supporting a catalyst such as platinum or a platinum alloy is used, and more specifically, a catalyst-supported carbon carrier in which a catalyst is supported on carbon particles such as carbon black that functions as a conductive substance is used. Examples include a layer composed of particles and an electrolyte component that exhibits proton conductivity through ion exchange groups, which is a component of the electrolyte membrane described above. The layer may be formed by coating catalyst-supported carbon particles with an electrolyte component such as an ionomer having proton conductivity.

本発明の積層体において、触媒層の厚みは、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。 In the laminate of the present invention, the thickness of the catalyst layer is not particularly limited, and can be appropriately set depending on the required performance of the fuel cell to be formed.

<電解質膜>
電解質膜は、本発明の燃料電池用の積層体において、必須の構成層であり、触媒層に隣隣接するように配置される。電解質膜は、電子及びガスの流通を阻止するとともに、アノードで発生したプロトン(H)を、アノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有する。
<Electrolyte membrane>
The electrolyte membrane is an essential constituent layer in the fuel cell stack of the present invention, and is disposed adjacent to the catalyst layer. The electrolyte membrane has the function of blocking the flow of electrons and gas and moving protons (H + ) generated at the anode from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer.

本発明の燃料電池用の積層体における電解質膜は、燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、スルホン酸基を有するアイオノマーを含み、当該スルホン酸基のプロトン(H)の一部が、セリウムイオンに置換されている。 The electrolyte membrane in the fuel cell laminate of the present invention contains an ionomer having a sulfonic acid group in the initial state after forming the fuel cell laminate, and some of the protons (H + ) of the sulfonic acid group are , is substituted with cerium ion.

本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、電解質膜がセリウムイオンを有することで、燃料電池の使用開始の直後から、電解質膜の膜痩せを抑制することができる。 In the fuel cell laminate of the present invention, the electrolyte membrane has cerium ions in the initial state when the fuel cell is started to be used, so that the electrolyte membrane can be thinned immediately after the fuel cell starts to be used. can be suppressed.

本発明の燃料電池用の積層体において、電解質膜を構成する材料は、上記した、スルホン酸基を含むアイオノマー、及び当該スルホン酸基のプロトン(H)の一部がセリウムイオンに置換されたアイオノマーを含んでいれば、その他の成分は特に限定されるものではなく、燃料電池に用いられる電解質膜として公知の材料を用いることができる。 In the fuel cell laminate of the present invention, the material constituting the electrolyte membrane is the above-mentioned ionomer containing a sulfonic acid group, and a portion of the protons (H + ) of the sulfonic acid group are replaced with cerium ions. Other components are not particularly limited as long as they contain an ionomer, and materials known as electrolyte membranes used in fuel cells can be used.

スルホン酸基を含むアイオノマーとしては、例えば、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマー等のイオン伝導性を有する高分子電解質樹脂が挙げられる。また、スルホン酸基以外の基を有する材料としては、例えば、リン酸基やカルボン酸基等、他のイオン交換基(電解質成分)を含む樹脂が挙げられる。 Examples of the ionomer containing a sulfonic acid group include a polymer electrolyte resin having ion conductivity such as perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer. Furthermore, examples of materials having groups other than sulfonic acid groups include resins containing other ion exchange groups (electrolyte components) such as phosphoric acid groups and carboxylic acid groups.

電解質膜の厚みは、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。電解質膜の厚みは、例えば、10μm以下であってもよい。 The thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, and can be appropriately set depending on the required performance of the fuel cell to be formed. The thickness of the electrolyte membrane may be, for example, 10 μm or less.

<その他の層>
本発明の燃料電池用の積層体は、ガス拡散層、触媒層、及び電解質膜を、必須の構成要素としていれば、その他の層が存在していてもよい。その他の層としては、例えば、セパレーター等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
<Other layers>
The laminate for a fuel cell of the present invention may include other layers as long as it includes a gas diffusion layer, a catalyst layer, and an electrolyte membrane as essential components. Examples of other layers include, but are not limited to, separators.

<初期状態の燃料電池用積層体におけるセリウムイオン置換率の関係>
本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、触媒層、及び電解質膜は、スルホン酸基を有するアイオノマーを含み、スルホン酸基のプロトンの一部が、セリウムイオンに置換されている。
<Relationship of cerium ion replacement rate in the fuel cell stack in the initial state>
In the fuel cell laminate of the present invention, in the initial state at the beginning of use after manufacturing the fuel cell, the catalyst layer and the electrolyte membrane contain an ionomer having a sulfonic acid group, and one of the protons of the sulfonic acid group is part is substituted with cerium ion.

そして、触媒層におけるセリウムイオン置換率が、電解質膜におけるセリウムイオン置換率よりも大きいものとなっている。 The cerium ion substitution rate in the catalyst layer is greater than the cerium ion substitution rate in the electrolyte membrane.

本発明において、アイオノマーにおけるスルホン酸基のプロトンが、セリウムイオンに置換された「置換率」は、スルホン酸基の総量に対するセリウムイオンの総量の割合として求めることができる。 In the present invention, the "substitution rate" in which the protons of the sulfonic acid groups in the ionomer are substituted with cerium ions can be determined as the ratio of the total amount of cerium ions to the total amount of sulfonic acid groups.

図2は、本発明の燃料電池用の積層体が、アノード側ガス拡散層、アノード側触媒層、電解質膜、カソード側触媒層、及びカソード側ガス拡散層からなる、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)である場合に、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態における、アノード側触媒層、電解質膜、及びカソード側触媒層のスルホン酸基を有するアイオノマーのスルホン酸基のプロトン(H)がセリウムイオンに置換されている割合である置換率を示す一例である。 FIG. 2 shows a membrane electrode gas diffusion layer assembly in which the laminate for a fuel cell of the present invention is composed of an anode side gas diffusion layer, an anode side catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode side catalyst layer, and a cathode side gas diffusion layer. (MEGA), the protons ( This is an example showing the substitution rate, which is the rate at which cerium ions (H + ) are substituted with cerium ions.

図2に示される積層体においては、電解質膜のセリウムイオン置換率が、アノード側及びカソード側の触媒層におけるセリウムイオン置換率よりも小さくなっている。 In the laminate shown in FIG. 2, the cerium ion substitution rate in the electrolyte membrane is smaller than the cerium ion substitution rate in the catalyst layers on the anode side and the cathode side.

図2に示される積層体においては、アノード側及びカソード側の触媒層におけるセリウムイオン置換率は、ほぼ同等となっているが、本発明が、アノード側及びカソード側の両者の触媒層に適用される場合には、セリウムイオン置換率は、同一であっても異なっていてもよい。また、異なる場合には、いずれの触媒層の置換率が大きくてもよいが、カソード側触媒層における置換率が大きいほうが好ましい。 In the laminate shown in FIG. 2, the cerium ion substitution rates in the anode and cathode catalyst layers are almost the same, but the present invention is applied to both the anode and cathode catalyst layers. In this case, the cerium ion substitution rates may be the same or different. In addition, if they are different, the substitution rate of either catalyst layer may be large, but it is preferable that the substitution rate of the cathode side catalyst layer is large.

本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、触媒層に含まれるアイオノマーのセリウムイオン置換率が、電解質膜に含まれるアイオノマーのセリウムイオン置換率よりも大きいことで、燃料電池の使用中に、マイクロポーラス層から溶出したセリウムイオンを、電解質膜側へ誘導することが可能となる。 In the fuel cell stack of the present invention, in the initial state at the time of starting use after manufacturing the fuel cell, the cerium ion substitution rate of the ionomer contained in the catalyst layer is the same as the cerium ion substitution rate of the ionomer contained in the electrolyte membrane. By being larger than , it becomes possible to guide cerium ions eluted from the microporous layer to the electrolyte membrane side during use of the fuel cell.

したがって、長期の使用期間において、電解質膜にセリウムイオンを少しずつ補充することが可能となり、電解質膜におけるセリウムイオン濃度の急激な上昇を抑制することが可能となり、これにより、電解質膜のプロトン抵抗値の上昇を抑制することができ、燃料電池の出力性能を長期間維持することができる。 Therefore, over a long period of use, it becomes possible to replenish the electrolyte membrane with cerium ions little by little, and it becomes possible to suppress a rapid increase in the cerium ion concentration in the electrolyte membrane, thereby increasing the proton resistance of the electrolyte membrane. This makes it possible to suppress the increase in fuel cell output and maintain the output performance of the fuel cell for a long period of time.

以下、実験結果を示して、本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail by showing experimental results.

<実施例1>
実施例1においては、アノード側ガス拡散層/アノード側触媒層/電解質膜/カソード側触媒層/カソード側ガス拡散層が、この順に積層された膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)を作製し、一対のセパレータで挟み込むことで、燃料電池となる積層体を作製した。
<Example 1>
In Example 1, a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA) was prepared in which the anode side gas diffusion layer/anode side catalyst layer/electrolyte membrane/cathode side catalyst layer/cathode side gas diffusion layer were laminated in this order. By sandwiching them between a pair of separators, a laminate that would become a fuel cell was fabricated.

なお、アノード側及びカソード側ガス拡散層は、それぞれが隣接するアノード側及びカソード側触媒層に、それぞれのマイクロポーラス層(MPL)が面するように配置した。 The anode-side and cathode-side gas diffusion layers were arranged such that their respective microporous layers (MPLs) faced the adjacent anode-side and cathode-side catalyst layers, respectively.

実施例1に用いたアノード側ガス拡散層におけるマイクロポーラス層(MPL)及びカソード側ガス拡散層におけるマイクロポーラス層(MPL)は、酸化セリウム(CeO)を含んでいた。 The microporous layer (MPL) in the anode side gas diffusion layer and the microporous layer (MPL) in the cathode side gas diffusion layer used in Example 1 contained cerium oxide (CeO 2 ).

また、アノード側触媒層、電解質膜、及びカソード側触媒層は、スルホン酸基を有するアイオノマーを含んでおり、燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、スルホン酸基のプロトン(H)の一部は、セリウムイオンに置換されており、触媒層におけるセリウムイオン置換率が、電解質膜におけるセリウムイオン置換率よりも大きくなるようにした。 In addition, the anode side catalyst layer, the electrolyte membrane, and the cathode side catalyst layer contain an ionomer having a sulfonic acid group, and in the initial state when forming a stack for a fuel cell, protons (H + ) of the sulfonic acid group A part of is replaced with cerium ions, so that the cerium ion substitution rate in the catalyst layer is greater than the cerium ion substitution rate in the electrolyte membrane.

<比較例1>
比較例1においては、実施例1と同様の構成で、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)を作製し、一対のセパレータで挟み込むことで、燃料電池となる積層体を作製した。
<Comparative example 1>
In Comparative Example 1, a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA) was produced with the same configuration as in Example 1, and sandwiched between a pair of separators to produce a laminate that would become a fuel cell.

なお、実施例1と同様に、アノード側及びカソード側ガス拡散層は、それぞれが隣接するアノード側及びカソード側触媒層に、それぞれのマイクロポーラス層(MPL)が面するように配置した。 As in Example 1, the anode-side and cathode-side gas diffusion layers were arranged such that their respective microporous layers (MPLs) faced the adjacent anode-side and cathode-side catalyst layers, respectively.

比較例1に用いたアノード側ガス拡散層におけるマイクロポーラス層(MPL)及びカソード側ガス拡散層におけるマイクロポーラス層(MPL)は、実施例1と同様に、酸化セリウム(CeO)を含んでいた。 The microporous layer (MPL) in the anode side gas diffusion layer and the microporous layer (MPL) in the cathode side gas diffusion layer used in Comparative Example 1 contained cerium oxide (CeO 2 ) as in Example 1. .

しかしながら、比較例1に用いたアノード側触媒層、電解質膜、及びカソード側触媒層は、スルホン酸基を有するアイオノマーを含んでいるものの、スルホン酸基のプロトン(H)はセリウムイオンには置換されていないものとした。すなわち、比較例1で作製した燃料電池の積層体は、積層体を形成した初期状態で、アノード側触媒層、電解質膜、及びカソード側触媒層のいずれも、セリウムイオンを含んでいない。 However, although the anode side catalyst layer, electrolyte membrane, and cathode side catalyst layer used in Comparative Example 1 contain an ionomer having a sulfonic acid group, the protons (H + ) of the sulfonic acid group are replaced by cerium ions. It was assumed that the That is, in the fuel cell stack produced in Comparative Example 1, none of the anode-side catalyst layer, electrolyte membrane, and cathode-side catalyst layer contains cerium ions in the initial state of forming the stack.

<電池の評価>
実施例1及び比較例1で作製した燃料電池の積層体を用いた燃料電池を作製し、耐久試験を実施した。耐久試験としては、温度変化耐久試験を実施し、一定の低電流密度で電流を掃引しながら、特定の回数、温度の上げ下げを繰り返す操作を実施した。
<Battery evaluation>
A fuel cell was produced using the fuel cell stack produced in Example 1 and Comparative Example 1, and a durability test was conducted. As a durability test, a temperature change durability test was conducted, in which the temperature was repeatedly raised and lowered a specific number of times while sweeping the current at a constant low current density.

(電解質膜中のセリウムイオンの濃度)
実施例1及び比較例1で作製した燃料電池について、温度変化耐久試験に伴う、電解質膜中のセリウムイオン(Ce3+)濃度を評価した。
(Cerium ion concentration in electrolyte membrane)
Regarding the fuel cells produced in Example 1 and Comparative Example 1, the cerium ion (Ce 3+ ) concentration in the electrolyte membrane was evaluated in a temperature change durability test.

実施例1及び比較例1で作製した燃料電池の耐久時間と、電解質膜中のセリウムイオン濃度との関係を、図3に示す。図3において、破線は、実施例1で作製した燃料電池であり、実線は、比較例1で作製した燃料電池である。 FIG. 3 shows the relationship between the durability time of the fuel cells produced in Example 1 and Comparative Example 1 and the cerium ion concentration in the electrolyte membrane. In FIG. 3, the broken line is the fuel cell produced in Example 1, and the solid line is the fuel cell produced in Comparative Example 1.

図3における横軸は、燃料電池の使用を開始してからの耐久時間を示し、縦軸は、電解質膜中のセリウムイオン(Ce3+)濃度を、相対濃度で示している。なお、縦軸におけるCのラインは、電解質膜の膜痩せが発生するラインである。 The horizontal axis in FIG. 3 indicates the endurance time after the start of use of the fuel cell, and the vertical axis indicates the cerium ion (Ce 3+ ) concentration in the electrolyte membrane in relative concentration. Note that the line C on the vertical axis is a line where membrane thinning of the electrolyte membrane occurs.

図3に示されるように、比較例1で作製した燃料電池は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態においては、電解質膜にセリウムイオンが存在していないため、耐久時間がある程度進むまで、電解質膜の膜痩せが継続して発生していることが判る。 As shown in FIG. 3, the fuel cell manufactured in Comparative Example 1 has a certain durability time because cerium ions are not present in the electrolyte membrane in the initial state at the time of starting use after manufacturing the fuel cell. It can be seen that membrane thinning of the electrolyte membrane continues to occur until the process progresses.

一方で、実施例1で作製した燃料電池は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において既に、電解質膜にセリウムイオンが存在しているため、使用開始直後から、電解質膜の膜痩せが発生するクライテリアを超えており、使用当初から電解質膜の膜痩せを回避していることが判る。 On the other hand, in the fuel cell manufactured in Example 1, cerium ions are already present in the electrolyte membrane in the initial state at the time of starting use after manufacturing the fuel cell. This exceeds the criteria for thinning to occur, and it can be seen that membrane thinning of the electrolyte membrane has been avoided from the beginning of use.

(各層におけるセリウムイオン置換率)
実施例1及び比較例1で作製した燃料電池について、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態における、電解質膜、カソード側触媒層、及びカソード側マイクロポーラス層において、アイオノマーにおけるスルホン酸基のプロトン(H+)がセリウムイオンに置換された置換率を求めた。同様に、温度変化耐久試験を実施した後の、電解質膜、カソード側触媒層、及びカソード側マイクロポーラス層における、セリウムイオン置換率を求めた。
(Cerium ion substitution rate in each layer)
Regarding the fuel cells produced in Example 1 and Comparative Example 1, the sulfonic acid group in the ionomer was found in the electrolyte membrane, the cathode side catalyst layer, and the cathode side microporous layer in the initial state at the time of starting use after production of the fuel cell. The substitution rate at which protons (H+) were replaced with cerium ions was determined. Similarly, the cerium ion substitution rate in the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, and the cathode microporous layer after the temperature change durability test was determined.

なお、セリウムイオン置換率は、単位面積あたりのスルホン酸基の総量に対するセリウムイオンの総量から換算した。 The cerium ion substitution rate was calculated from the total amount of cerium ions relative to the total amount of sulfonic acid groups per unit area.

図4は、比較例1で作製した燃料電池について、初期状態における、電解質膜、カソード側触媒層、及びカソード側マイクロポーラス層におけるセリウムイオン置換率と、耐久試験後の、それぞれのセリウムイオン置換率と、を示したグラフである。 Figure 4 shows the cerium ion substitution rate in the electrolyte membrane, cathode side catalyst layer, and cathode side microporous layer in the initial state and the respective cerium ion substitution rates after the durability test for the fuel cell fabricated in Comparative Example 1. This is a graph showing .

図4における横軸は、各層を示しており、縦軸は、セリウムイオン置換率を示している。縦軸におけるCのラインは、電解質膜の膜痩せが発生するラインである。 The horizontal axis in FIG. 4 indicates each layer, and the vertical axis indicates the cerium ion replacement rate. Line C on the vertical axis is a line where thinning of the electrolyte membrane occurs.

なお、マイクロポーラス層は、アイオノマーを含んでいないことから、スルホン酸基の総量に対するセリウムイオンの総量として換算されるセリウム置換率は、無限大として表現した。 Note that since the microporous layer does not contain an ionomer, the cerium substitution rate, which is calculated as the total amount of cerium ions relative to the total amount of sulfonic acid groups, was expressed as infinite.

図4からは、比較例1で作製した燃料電池では、燃料電池の使用中にマイクロポーラス層から溶出したセリウムイオンが、電解質膜へ移動して十分な弛緩率になるまでは、電解質膜におけるセリウムイオン濃度が不足し、それによって電解質膜の膜やせが生じることが理解される。 From FIG. 4, in the fuel cell fabricated in Comparative Example 1, cerium ions eluted from the microporous layer during use of the fuel cell move to the electrolyte membrane and until a sufficient relaxation rate is reached, cerium ions in the electrolyte membrane It is understood that the ion concentration is insufficient, which causes thinning of the electrolyte membrane.

図5は、実施例1で作製した燃料電池について、初期状態における、電解質膜、カソード側触媒層、及びカソード側マイクロポーラス層におけるセリウムイオン置換率と、耐久試験後の、それぞれのセリウムイオン置換率と、を示したグラフである。 FIG. 5 shows the cerium ion substitution rate in the electrolyte membrane, cathode side catalyst layer, and cathode side microporous layer in the initial state and the respective cerium ion substitution rates after the durability test for the fuel cell fabricated in Example 1. This is a graph showing .

図5における横軸は、各層を示しており、縦軸は、セリウムイオン置換率を示している。なお、縦軸におけるCのラインは、電解質膜の膜痩せが発生するラインである。 The horizontal axis in FIG. 5 indicates each layer, and the vertical axis indicates the cerium ion replacement rate. Note that the line C on the vertical axis is a line where membrane thinning of the electrolyte membrane occurs.

図5に示されるように、実施例1で作製した燃料電池は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、電解質膜がセリウムイオンを有することで、初期状態にて電解質膜の膜痩せが発生するクライテリアを超えており、電解質膜の膜痩せを回避できることが判る。 As shown in FIG. 5, in the fuel cell manufactured in Example 1, the electrolyte membrane has cerium ions in the initial state at the beginning of use after manufacturing the fuel cell. It can be seen that the criteria for membrane thinning to occur is exceeded, and membrane thinning of the electrolyte membrane can be avoided.

また、実施例1で作製した燃料電池は、燃料電池の製造後、使用開始時となる初期状態において、触媒層、及び電解質膜に、セリウムイオンが含まれており、かつ、触媒層に含まれるアイオノマーにおけるスルホン酸基のプロトン(H)がセリウムイオンに置換されたセリウムイオン置換率が、電解質膜におけるセリウムイオン置換率よりも大きくなっていることで、燃料電池の耐久試験によって、マイクロポーラス層から溶出したセリウムイオンが、電解質膜へ誘導されたことが判る。 In addition, in the fuel cell produced in Example 1, in the initial state at the time of starting use after manufacturing the fuel cell, the catalyst layer and the electrolyte membrane contain cerium ions, and the catalyst layer contains cerium ions. The cerium ion substitution rate, in which the protons (H + ) of the sulfonic acid groups in the ionomer are replaced with cerium ions, is greater than the cerium ion substitution rate in the electrolyte membrane, and fuel cell durability tests have shown that the microporous layer It can be seen that the cerium ions eluted from the sample were guided to the electrolyte membrane.

すなわち、実施例1で作製した燃料電池では、長期の使用の間に電解質膜のセリウムイオンが生成水等と共に少しずつ失われる場合にも、マイクロポーラス層から電解質膜に、セリウムイオンが少しずつ補充され、これにより、燃料電池の使用開始の直後から電解質膜の膜痩せを抑制しつつ、電解質膜におけるセリウムイオン濃度の急激な上昇が起こらないようにして、燃料電池の出力性能を長期間維持することができることが予想できる。 In other words, in the fuel cell fabricated in Example 1, even if cerium ions in the electrolyte membrane are gradually lost along with generated water etc. during long-term use, cerium ions are gradually replenished from the microporous layer to the electrolyte membrane. This suppresses membrane thinning of the electrolyte membrane immediately after the start of use of the fuel cell, prevents a sudden increase in the cerium ion concentration in the electrolyte membrane, and maintains the output performance of the fuel cell for a long period of time. It can be predicted that it will be possible.

100 積層体
10 アノード側ガス拡散層
11 アノード側拡散層基材層
12 アノード側マイクロポーラス層
15 アノード側触媒層
20 カソード側ガス拡散層
21 カソード側拡散層基材層
22 カソード側マイクロポーラス層
25 カソード側触媒層
30 電解質膜
100 Laminated body 10 Anode side gas diffusion layer 11 Anode side diffusion layer base material layer 12 Anode side microporous layer 15 Anode side catalyst layer 20 Cathode side gas diffusion layer 21 Cathode side diffusion layer base material layer 22 Cathode side microporous layer 25 Cathode Side catalyst layer 30 Electrolyte membrane

Claims (1)

アノード側ガス拡散層、アノード側触媒層、電解質層、カソード側触媒層、及びカソード側ガス拡散層が、この順に積層されている燃料電池用の積層体であって、
前記アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層は、それぞれ前記アノード側触媒層及びカソード側触媒層側から、マイクロポーラス層、及び拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記マイクロポーラス層は、セリウム含有酸化物を含み、
前記アノード側触媒層及びカソード側触媒層、及び前記電解質膜は、スルホン酸基を有するアイオノマーを含み、
燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、前記スルホン酸基の一部は、前記スルホン酸基のプロトンがセリウムイオンに置換されているセリウムイオン置換スルホン酸基であり、
燃料電池用の積層体を形成した初期状態で、前記アノード側触媒層及びカソード側触媒層における前記スルホン酸基のセリウムイオンへの置換率は、前記電解質膜における前記スルホン酸基のセリウムイオンへの置換率よりも大きく、
前記カソード側触媒層における前記スルホン酸基のセリウムイオンへの置換率が前記アノード側触媒層における前記スルホン酸基のセリウムイオンへの置換率よりも大きい、
燃料電池用の積層体。
A stacked body for a fuel cell in which an anode side gas diffusion layer, an anode side catalyst layer, an electrolyte layer, a cathode side catalyst layer, and a cathode side gas diffusion layer are stacked in this order,
The anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer include a microporous layer and a diffusion layer base material layer stacked in this order from the anode side catalyst layer side and the cathode side catalyst layer side, respectively,
The microporous layer includes a cerium-containing oxide,
The anode side catalyst layer, the cathode side catalyst layer, and the electrolyte membrane include an ionomer having a sulfonic acid group,
In the initial state of forming a laminate for a fuel cell, some of the sulfonic acid groups are cerium ion-substituted sulfonic acid groups in which protons of the sulfonic acid groups are replaced with cerium ions,
In the initial state of forming a fuel cell stack, the rate of substitution of the sulfonic acid groups with cerium ions in the anode side catalyst layer and the cathode side catalyst layer is determined by the substitution rate of the sulfonic acid groups with cerium ions in the electrolyte membrane. greater than the replacement rate,
The substitution rate of the sulfonic acid groups with cerium ions in the cathode side catalyst layer is higher than the substitution rate of the sulfonic acid groups with cerium ions in the anode side catalyst layer.
Laminate for fuel cells.
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