JP2002289201A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP2002289201A
JP2002289201A JP2001086989A JP2001086989A JP2002289201A JP 2002289201 A JP2002289201 A JP 2002289201A JP 2001086989 A JP2001086989 A JP 2001086989A JP 2001086989 A JP2001086989 A JP 2001086989A JP 2002289201 A JP2002289201 A JP 2002289201A
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JP
Japan
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gas
polymer electrolyte
fuel cell
catalyst layer
conductive
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Application number
JP2001086989A
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Japanese (ja)
Inventor
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
Makoto Uchida
誠 内田
Junji Niikura
順二 新倉
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To resolve a problem that a conventional polymer electrolyte fuel cell has problem of flooding and drying up conflicting with each other. SOLUTION: A catalyst layer is made of a noble metal catalyst supported by conductive carbon particles or conductive carbon fibers without having a hydrophilic functional group on the surface, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and metal oxide particles.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質を用
いた燃料電池に関し、特にその電極に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell using a polymer electrolyte, and more particularly to an electrode thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】まず、従来の高分子電解質型燃料電池の
一般的な構成を説明する。高分子電解質を用いた燃料電
池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含
有する酸化剤ガスとを、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。
2. Description of the Related Art First, a general structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell will be described. A fuel cell using a polymer electrolyte generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen such as air.

【0003】図1は、固体高分子電解質型燃料電池の単
電池の一部の構造を説明するための概略断面図である。
図1に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分
子電解質膜11の両面に、白金系の金属触媒を担持した
炭素粉末を触媒体とし、これに水素イオン伝導性高分子
電解質を混合したもので触媒層12が形成される。
FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining a partial structure of a unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell.
As shown in FIG. 1, on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 11 for selectively transporting hydrogen ions, a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is used as a catalyst, and a hydrogen ion-conductive polymer electrolyte is mixed therewith. Thus, the catalyst layer 12 is formed.

【0004】現在、高分子電解質膜11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、米国デュポン社製のナフィオン膜)が一般的
に使用されている。この触媒層12の外面には、通気性
および電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施した
カーボンペーパーでガス拡散層13を形成する。この触
媒層12とガス拡散層13とを合わせて電極14と呼
ぶ。
At present, as the polymer electrolyte membrane 11, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion membrane manufactured by DuPont, USA) is generally used. The gas diffusion layer 13 is formed on the outer surface of the catalyst layer 12 using, for example, a water-repellent carbon paper having both air permeability and electron conductivity. The catalyst layer 12 and the gas diffusion layer 13 are collectively called an electrode 14.

【0005】つぎに、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガ
スが外にリークしたり、2種類のガスが互いに混合しな
いように、電極の周囲に高分子電解質膜を挟んでガスシ
ール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケ
ットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらか
じめ組み立てられ、これをMEA(電解質膜電極接合
体)15と呼ぶ。
Next, a gas sealing material or a gasket is disposed around the electrode with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween so that the supplied fuel gas and the oxidizing gas do not leak outside or the two types of gases do not mix with each other. I do. The sealing material and the gasket are integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane in advance and assembled, and this is referred to as MEA (electrolyte membrane electrode assembly) 15.

【0006】図2に示すように、MEA15の外側に
は、MEA15を機械的に固定するための導電性セパレ
ータ板21を配置する。図2は、固体高分子電解質型燃
料電池の単電池の構造を説明するための概略断面図であ
る。セパレータ板21のMEA15と接触する部分に
は、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを
運び去るためのガス流路22を形成する。ガス流路はセ
パレータ板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とする方式が一般的である。
このように、一対のセパレータ板21でMEA15を固
定し、片側のガス流路に燃料ガスを供給し、他方のガス
流路に酸化剤ガスを供給することで、一つの単電池で
0.8V程度の起電力を発生させることができる。
As shown in FIG. 2, a conductive separator plate 21 for mechanically fixing the MEA 15 is disposed outside the MEA 15. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a unit cell of the solid polymer electrolyte fuel cell. A gas flow path 22 for supplying a reaction gas to the electrode surface and carrying away generated gas and surplus gas is formed in a portion of the separator plate 21 that contacts the MEA 15. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, a method is generally used in which a groove is provided on the surface of the separator to form a gas flow path.
As described above, the MEA 15 is fixed by the pair of separator plates 21, the fuel gas is supplied to one gas flow path, and the oxidant gas is supplied to the other gas flow path. Of electromotive force can be generated.

【0007】一対のセパレータでMEAを固定したもの
を単電池23と呼ぶ。しかし、通常、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を必要
とするため、実際には、単電池23を必要とする個数だ
け直列に連結する。このとき、セパレータ21の裏表の
両面にガス流路22を形成し、セパレータ/MEA/セ
パレータ/MEAの繰り返しで、直列の連結構成にす
る。
A cell in which the MEA is fixed by a pair of separators is referred to as a unit cell 23. However, normally, when a fuel cell is used as a power source, a voltage of several volts to several hundred volts is required. Therefore, in practice, the required number of cells 23 are connected in series. At this time, the gas flow paths 22 are formed on both sides of the separator 21 and the separator / MEA / separator / MEA is repeated to form a series connection configuration.

【0008】ガス流路にガスを供給するためには、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、その分岐先を直接セパレータ状の溝につ
なぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホール
ドと呼び、特に上記のような燃料ガスの供給配管から直
接つなぎ込むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマ
ニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホール
ドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガ
ス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、
ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接
ガスをガス流路に供給するものである。
In order to supply gas to the gas flow path, a pipe jig for branching a gas supply pipe into a number corresponding to the number of separators to be used, and connecting the branch directly to a separator-like groove. Is required. This jig is referred to as a manifold, and in particular, the type directly connected from the fuel gas supply pipe as described above is referred to as an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold which has a simpler structure. The internal manifold is provided with a through hole in the separator plate on which the gas flow path is formed,
The entrance and exit of the gas flow path are passed to this hole, and the gas is supplied directly to the gas flow path from this hole.

【0009】つぎに、燃料電池の電極を構成するガス拡
散層および触媒層について説明する。ガス拡散層は、つ
ぎの3つの機能を持たなければならない。第一は、ガス
拡散層の外面に形成したガス流路から、触媒層中の触媒
粒子に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する機能であ
る。第二は、触媒層で生成した水を、速やかにガス流路
に排出する機能である。第三は、反応に必要な電子また
は生成される電子を伝導する機能である。すなわち、ガ
ス拡散層には、高い反応ガス透過性と水蒸気透過性およ
び電子伝導性が必要となる。
Next, the gas diffusion layer and the catalyst layer constituting the electrode of the fuel cell will be described. The gas diffusion layer must have the following three functions. The first function is to supply a fuel gas or an oxidizing gas to the catalyst particles in the catalyst layer from a gas channel formed on the outer surface of the gas diffusion layer. The second is a function of quickly discharging water generated in the catalyst layer to the gas flow path. The third is a function of conducting electrons required for the reaction or generated electrons. That is, the gas diffusion layer requires high reaction gas permeability, water vapor permeability, and electron conductivity.

【0010】従来の技術として、ガス透過性をもたせる
ために、ガス拡散層にストラクチャー構造の発達した炭
素微粉末、造孔材、カーボンペーパーおよびカーボンク
ロスなどの導電性多孔質基材を用いることが行われてい
る。また、水蒸気透過性をもたせるために、フッ素樹脂
などの撥水性高分子をガス拡散層の中に分散させること
が行われている。さらに、電子伝導性をもたせるため
に、カーボン繊維、金属繊維および炭素微粉末などの電
子伝導性材料でガス拡散層を構成することが行われてい
る。
[0010] As a conventional technique, in order to impart gas permeability, a conductive porous substrate such as carbon fine powder, pore-forming material, carbon paper and carbon cloth having a developed structure is used for a gas diffusion layer. Is being done. Further, in order to impart water vapor permeability, a water-repellent polymer such as a fluororesin is dispersed in a gas diffusion layer. Further, in order to provide electron conductivity, a gas diffusion layer is made of an electron conductive material such as carbon fiber, metal fiber, and carbon fine powder.

【0011】触媒層は、つぎの4つの機能を持たなけれ
ばならない。その第一は、ガス拡散層から供給された燃
料ガスまたは酸化剤ガスを触媒粒子に供給する機能であ
る。第二は、触媒上の反応に必要な水素イオンまたは生
成される水素イオンを、速やかに電解質膜に伝達する機
能である。第三は、反応に必要な電子または生成される
電子を伝導する機能である。第四は、速やかに反応させ
るための高い触媒性能とその広い反応面積である。すな
わち、触媒層には高い反応ガス透過性、水素イオン透過
性、電子伝導性および触媒性能が必要となる。
[0011] The catalyst layer must have the following four functions. The first function is to supply the fuel particles or the oxidizing gas supplied from the gas diffusion layer to the catalyst particles. The second function is to quickly transfer hydrogen ions required for the reaction on the catalyst or generated hydrogen ions to the electrolyte membrane. The third is a function of conducting electrons required for the reaction or generated electrons. Fourth, high catalytic performance for prompt reaction and a wide reaction area. That is, the catalyst layer needs to have high reaction gas permeability, hydrogen ion permeability, electron conductivity and catalytic performance.

【0012】従来の技術として、ガス透過能をもたせる
ために、触媒層にストラクチャー構造の発達した炭素微
粉末や造孔材を用いることが行われている。また、水素
イオン透過能をもたせるために、高分子電解質を触媒層
中の触媒近傍に分散し、かつ水素イオンネットワークを
形成させることが行われている。また、電子伝導性を持
たせるために、炭素微粉末や炭素繊維などの電子伝導性
材料で触媒担体を構成することが行われている。さら
に、触媒性能を向上させるために、白金に代表される反
応活性の高い金属触媒を、粒径が数nmの非常に微細な
粒子として炭素微粉末上に担持し、触媒層中に高分散さ
せることが行われている。
As a conventional technique, a carbon fine powder or a pore former having a well-developed structure is used for a catalyst layer in order to impart gas permeability. Further, in order to provide hydrogen ion permeability, a polymer electrolyte is dispersed in the vicinity of a catalyst in a catalyst layer to form a hydrogen ion network. Further, in order to impart electron conductivity, a catalyst carrier is made of an electron conductive material such as carbon fine powder or carbon fiber. Furthermore, in order to improve the catalyst performance, a highly reactive metal catalyst represented by platinum is supported on carbon fine powder as very fine particles having a particle size of several nm, and is highly dispersed in the catalyst layer. That is being done.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】触媒層およびガス拡散
層の濡れ性は、燃料電池の運転時間の経過とともに増大
する。濡れ性が増すと、生成水や、反応ガス中の水分に
より、触媒層やガス拡散層で、反応ガスの供給路となっ
ていた細孔が閉塞してしまう、いわゆるフラッディング
現象が起こる。このため、反応ガスが十分に供給されな
くなり、電池性能が低下するという課題がある。
The wettability of the catalyst layer and the gas diffusion layer increases with the operation time of the fuel cell. When the wettability increases, a so-called flooding phenomenon occurs in which the pores used as the reaction gas supply passages in the catalyst layer and the gas diffusion layer are blocked by generated water and moisture in the reaction gas. For this reason, there is a problem that the reaction gas is not sufficiently supplied and the battery performance is reduced.

【0014】この課題を生む要因の一つは、貴金属触媒
を担持したカーボン粒子の親水性にある。即ち、燃料電
池の触媒層に用いる触媒粒子の担持用カーボン粒子は、
比表面積の大きいものが一般的に用いられる。ところ
が、現在用いられている比表面積の大きいカーボンは、
製造工程に置いて、表面に−OHや−COOHなどの親
水性官能基が残存してしまう。このため、カーボン粒子
が親水化される。
One of the factors causing this problem is the hydrophilicity of the carbon particles supporting the noble metal catalyst. That is, the carbon particles for supporting the catalyst particles used for the catalyst layer of the fuel cell are:
Those having a large specific surface area are generally used. However, currently used carbon with a large specific surface area,
In the manufacturing process, hydrophilic functional groups such as -OH and -COOH remain on the surface. For this reason, the carbon particles are made hydrophilic.

【0015】一方、供給ガスの湿度を低下させる、また
は長い時間、電池の運転を停止したときは、電極中の高
分子電解質や電解質膜が乾くため、電極中の水素イオン
の伝導性が低下し、電池性能が低下するという課題があ
る。このような電極の濡れや乾き原因は、従来用いられ
ている電極の保水性、調湿性が不充分であることよる。
これまで、この課題を解決するため、下記の取組がなさ
れてきた。例えば、特開平10−334922号公報で
は、触媒層中に硫酸または燐酸からなる保水剤を含有す
るものであり、特開平2000−251910号公報や
特開平2001−15137号公報、特表98−052
242号公報では、電極の外側の導電性プレート表面を
覆うナイロン、綿、ポリエステル/レーヨン、ポリエス
テル/アクリル、レーヨン/ポリクラールなどのシート
状の吸水材が配置される構成が開示されている。また、
特開平2000−340247号公報では、負極の触媒
層に接するポリアクリル酸ナトリウムなどの吸水性高分
子ゲルを用いた透湿性防水シート層を配置する構成を開
示している。
On the other hand, when the humidity of the supply gas is lowered or when the operation of the battery is stopped for a long time, the conductivity of the hydrogen ions in the electrodes decreases because the polymer electrolyte and the electrolyte membrane in the electrodes dry. However, there is a problem that battery performance is reduced. The cause of such wetting and drying of the electrode is due to insufficient water retention and humidity control of the conventionally used electrode.
Until now, the following efforts have been made to solve this problem. For example, JP-A-10-334922 discloses that a catalyst layer contains a water retention agent composed of sulfuric acid or phosphoric acid, and JP-A-2000-251910, JP-A-2001-15137, and JP-T-98-052.
No. 242 discloses a configuration in which a sheet-like water-absorbing material such as nylon, cotton, polyester / rayon, polyester / acryl, rayon / polychlor, etc., which covers the surface of a conductive plate outside an electrode, is disposed. Also,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-340247 discloses a configuration in which a moisture-permeable waterproof sheet layer using a water-absorbing polymer gel such as sodium polyacrylate, which is in contact with a catalyst layer of a negative electrode, is disposed.

【0016】しかし、上記従来の方法は触媒層外部から
調湿する構成であるために、触媒層や拡散層内部の細部
の調湿効果が小さい。また、硫酸や燐酸が飛散する問題
があるために、十分な調湿性能が得られないなどの課題
があった。さらに、硫酸や燐酸を用いた場合には、それ
らの飛散によるスタックや燃料電池システムの配観など
の構成部材の腐食の問題が避けられない。
However, in the above-mentioned conventional method, since the humidity is adjusted from outside the catalyst layer, the effect of adjusting the humidity in details inside the catalyst layer and the diffusion layer is small. Further, there is a problem that sufficient humidity control performance cannot be obtained due to a problem that sulfuric acid and phosphoric acid are scattered. Furthermore, in the case of using sulfuric acid or phosphoric acid, the problem of corrosion of constituent members such as arrangement of a stack or a fuel cell system due to their scattering is inevitable.

【0017】そこで、本発明は、上記従来の問題を解決
し、触媒層やガス拡散層の調湿性を最適化することによ
って、上述のフラッディングとドライアップという、相
反する課題を同時に解決し、高い性能を発揮する燃料電
池用電極、その電極を用いた高分子電解質型燃料電池を
提供することを目的とする。
Therefore, the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and simultaneously solves the above-mentioned conflicting problems of flooding and dry-up by optimizing the humidity control properties of the catalyst layer and the gas diffusion layer. An object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell exhibiting performance and a polymer electrolyte fuel cell using the electrode.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質
膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の裏表の両
面に配置した一対の電極とで単電池を構成し、前記電極
の一方に水素を含む燃料ガスを供給排出し、前記電極の
他方に酸化剤ガスを供給排出するためのガス供給溝を形
成した一対の導電性セパレータで、前記単電池を挟持し
た燃料電池において、前記電極は前記水素イオン伝導性
高分子電解質膜と接触した触媒層と、前記触媒層及び前
記導電性セパレータに接触したガス拡散層とを有し、前
記触媒層は表面に親水性官能基を持たない導電性炭素粒
子若しくは導電性炭素繊維に担持した貴金属触媒と、水
素イオン伝導性高分子電解質と金属酸化物粒子とを有す
ることを特徴とする燃料電池。
In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell according to the present invention comprises a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a pair of hydrogen ion conductive polymer electrolyte membranes disposed on both sides of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. And a pair of conductive separators that form a gas supply groove for supplying and discharging hydrogen-containing fuel gas to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidizing gas to the other of the electrodes. In the fuel cell sandwiching the unit cell, the electrode has a catalyst layer in contact with the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer and the conductive separator, The catalyst layer comprises a conductive carbon particle having no hydrophilic functional group on the surface or a noble metal catalyst supported on conductive carbon fibers, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and metal oxide particles. Fuel cell.

【0019】また、金属酸化物は、珪素、チタン、アル
ミニウム、ジルコニウム、マグネシウムまたはクロムよ
り選ばれた少なくとも一種の金属の酸化物であることが
望ましい。このとき、金属酸化物の含有量は、重量比で
10〜1000ppmであることが望ましい。
The metal oxide is preferably an oxide of at least one metal selected from silicon, titanium, aluminum, zirconium, magnesium and chromium. At this time, the content of the metal oxide is desirably 10 to 1000 ppm by weight.

【0020】上記、金属酸化物によって電極の調湿性能
を最適化することによって、その経時劣化を抑制して、
長期にわたり、高いガス拡散能と水素イオン導電性を維
持した、より高い性能を発揮する固体高分子型燃料電
池、液体燃料電池および電極を提供することができる。
By optimizing the humidity control performance of the electrode with the above-mentioned metal oxide, the deterioration with time can be suppressed.
It is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell, a liquid fuel cell, and an electrode exhibiting higher performance while maintaining high gas diffusion ability and hydrogen ion conductivity over a long period of time.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、表面に親水性官
能基を持たない導電性炭素粒子に、貴金属粒子を担持し
たものを触媒とする事と、金属酸化物からなる保湿成分
を電極に配置することにある。この電極は、高分子電解
質膜と、高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード
と、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するア
ノード側の導電性セパレータ板、ならびに前記カソード
に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側の
導電性セパレータ板とを具備する高分子電解質型燃料電
池において、特に優れた特性を発揮する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is characterized in that noble metal particles are supported on conductive carbon particles having no hydrophilic functional group on the surface as a catalyst, and a moisturizing component comprising a metal oxide is used as an electrode. It is to arrange in. The electrode includes a polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode, and an oxidant gas supplied to the cathode. In particular, a polymer electrolyte fuel cell including a cathode-side conductive separator plate having a gas flow path exhibiting excellent characteristics.

【0022】表面に親水性官能基を持たない導電性炭素
粒子の製造方法は、従来のグラファイトの製造方法を用
いることが出来る。この工法では、焼成温度を高くする
ほどグラファイト化度が高くなり、これに比例して、表
面に残る−OHや、−COOHなどの親水性官能記は少
なくなる。但し、焼成温度を高くするほど、表面積が小
さくなるので、焼成後、窒素ガス中で、微粉砕しなけれ
ばならない。また、化学的気相成長法(CVD)を用い
て、−OHや、−COOHを残さず、むしろ撥水性の強
い−CF3基を残す形で、導電性の炭素繊維を作ること
も出来る。
As a method for producing conductive carbon particles having no hydrophilic functional group on the surface, a conventional graphite production method can be used. In this method, the higher the firing temperature, the higher the degree of graphitization, and in proportion to this, the number of hydrophilic functional marks such as -OH and -COOH remaining on the surface decreases. However, since the surface area decreases as the firing temperature increases, it must be finely ground in nitrogen gas after firing. In addition, a conductive carbon fiber can be produced by using a chemical vapor deposition method (CVD) without leaving -OH or -COOH but leaving -CF3 groups having strong water repellency.

【0023】一方、金属酸化物からなる保湿成分を電極
に配置する効果は、従来の高分子の吸水シートを用いる
方法と異なり、触媒層やガス拡散層の微細孔内部に保湿
性を有する粒子を分散させるため、よりミクロな調湿制
御が可能となる。また、本発明では上記保湿性を有する
粒子に金属酸化物を用いるため、従来用いられているナ
イロン、綿、ポリエステル/レーヨン、ポリエステル/
アクリル、レーヨン/ポリクラールなどの高分子やポリ
アクリル酸ナトリウムよりも、微細な粒子とすることが
可能である。
On the other hand, the effect of arranging a moisturizing component composed of a metal oxide on an electrode is different from that of a conventional method using a polymer water-absorbing sheet. Because of the dispersion, more microscopic humidity control can be performed. Further, in the present invention, since the metal oxide is used for the particles having the moisturizing property, conventionally used nylon, cotton, polyester / rayon, polyester /
It is possible to make finer particles than polymers such as acrylic and rayon / polyclar and sodium polyacrylate.

【0024】例えば、加湿を必要とする触媒に接する高
分子電解質の、ごく近傍に配置することが可能であり、
このため高分子電解質の乾燥を防止することができる。
また、反応ガスの流路として機能する電極内部の、微細
孔のごく近傍に配置すること可能であるので、生成水や
過剰な加湿水を吸収してガス流路の閉塞を防ぐことがで
きる。このように、上記のミクロな調湿制御の実現に最
適である。
For example, it can be placed very close to the polymer electrolyte in contact with the catalyst requiring humidification,
Therefore, drying of the polymer electrolyte can be prevented.
In addition, since it is possible to dispose it in the electrode functioning as a flow path of the reaction gas very close to the micropores, it is possible to absorb generated water or excessive humidification water and prevent the gas flow path from being blocked. As described above, it is optimal for realizing the above-mentioned micro humidity control.

【0025】また、上記金属酸化物としてシリカ、チタ
ニア、アルミナ、ジルコニア、マグネシアおよび酸化ク
ロムなどの非常に化学的に安定な物質を採用しているた
めに、電極やMEAの塗工に伴う溶剤の影響が小さく、
高分子を用いた場合と異なり溶剤に溶解することがな
い。また、その溶剤や界面活性剤を除去するための熱処
理においても、高分子では変質または分解しない温度に
することが必要であるが、上記金属酸化物種では300
℃以上の高温で処理しても問題はない。したがって、本
発明によれば、こうした種々の製造プロセスにおける条
件選択に制限が小さい。
Also, since very chemically stable substances such as silica, titania, alumina, zirconia, magnesia and chromium oxide are employed as the above-mentioned metal oxide, the solvent used in the electrode or MEA coating is not used. Little effect,
Unlike the case where a polymer is used, it does not dissolve in a solvent. Also, in the heat treatment for removing the solvent and the surfactant, it is necessary to set the temperature at which the polymer does not deteriorate or decompose.
There is no problem even if the treatment is performed at a high temperature of not less than ° C. Therefore, according to the present invention, there are few restrictions on the selection of conditions in these various manufacturing processes.

【0026】このような作用効果により、高分子電解質
を含水させるために反応ガスに付加された水蒸気や生成
水によって炭素微粉末が徐々に濡れる。これにより、触
媒層やガス拡散層の細孔に結露してガス流路を閉塞し、
ガス供給能や生成水排出能を低下させるという現象が抑
制され、高いガス透過性と生成水排出能が得られる。ま
た一方、供給ガスの湿度を低下、もしくは無加湿で供
給、また長時間の停止するなどの条件においても、電極
中の高分子電解質や電解質膜は上記金属酸化物種に保持
された水分によって加湿され、水素イオン導電性の低下
が抑制される。その結果、より高い電池性能を長期間に
わたって発揮し、燃料電池の寿命特性が向上する。
[0026] By such an effect, the carbon fine powder is gradually wetted by the water vapor or the generated water added to the reaction gas in order to impregnate the polymer electrolyte. As a result, dew is condensed in the pores of the catalyst layer and gas diffusion layer, closing the gas flow path,
The phenomenon of reducing the gas supply capacity and the generated water discharge capacity is suppressed, and high gas permeability and generated water discharge capacity can be obtained. On the other hand, the polymer electrolyte or the electrolyte membrane in the electrode is humidified by the moisture retained by the metal oxide species even under conditions such as lowering the humidity of the supply gas or supplying the gas without humidification, and stopping for a long time. In addition, a decrease in hydrogen ion conductivity is suppressed. As a result, higher cell performance is exhibited over a long period of time, and the life characteristics of the fuel cell are improved.

【0027】つぎに、本発明の電極はガス拡散層および
触媒層からなり、上記金属酸化物を少なくとも一方の層
に含む。一般にガス拡散層は、カーボンペーパーなどの
導電性多孔質基材に炭素粉末を分散させて得られる。ま
た、触媒層は、高分子電解質と触媒体からなるペースト
を高分子電解質膜または前記ガス拡散層に塗布すること
によって得られる。
Next, the electrode of the present invention comprises a gas diffusion layer and a catalyst layer, and contains the above-mentioned metal oxide in at least one layer. Generally, the gas diffusion layer is obtained by dispersing carbon powder in a conductive porous substrate such as carbon paper. Further, the catalyst layer is obtained by applying a paste composed of a polymer electrolyte and a catalyst to the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion layer.

【0028】以下に、実施例を用いて本発明に係る電極
およびそれを含む燃料電池について説明する。
Hereinafter, an electrode according to the present invention and a fuel cell including the same will be described with reference to examples.

【0029】[0029]

【実施例】(実施例1)まず、導電性炭素粉末であるア
セチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック、
粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PT
FE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業製、D
1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含
む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の
基材となるカーボンペーパー(東レ製、TGPH060
H)の上に塗布、含浸し、熱風乾燥機を用いて300℃
で熱処理してガス拡散層を形成した。
Example 1 First, acetylene black (denka black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.)
Particle diameter 35 nm) with polytetrafluoroethylene (PT
FE) aqueous dispersion (Daikin Industries, D
1) to prepare a water-repellent ink containing 20% by weight of PTFE as a dry weight. This ink is applied to a carbon paper (TGPH060, manufactured by Toray Co., Ltd.) as a base material of the gas diffusion layer
H) on top of, impregnated with hot air dryer at 300 ° C
To form a gas diffusion layer.

【0030】つぎに、表面に親水性官能基を実質的に持
たない導電性炭素粒子である、グラファイト粒子を作成
した。製造は、フェノール樹脂を原料として、最終焼成
温度を2200℃にして作成した。焼成後、窒素雰囲気
中で、ジルコニア性の乳鉢を用いて微粉際し、平均粒径
を220nmにした。このグラファイト粒子の表面に残
った−OH基と、−COOH基を定量したところ、グラ
ファイトを構成する炭素6ケ当たり、酸素の数として
0.003ケ程度であった。
Next, graphite particles, which are conductive carbon particles having substantially no hydrophilic functional groups on the surface, were prepared. The production was performed using a phenol resin as a raw material and a final firing temperature of 2200 ° C. After baking, the powder was pulverized in a nitrogen atmosphere using a zirconia mortar to make the average particle size 220 nm. When the -OH groups and -COOH groups remaining on the surface of the graphite particles were quantified, the number of oxygen was about 0.003 per 6 carbons constituting the graphite.

【0031】この炭素粉末に白金微粒子(平均粒径30
Å)を50重量%担持した触媒体を66重量部と、水素
イオン伝導体であるパーフルオロカーボンスルホン酸ア
イオノマー(米国Aldrich社製、5重量%ナフィ
オン分散液)を33重量部(固形分として)と、ジルコ
ニア(ZrO2を100ppm混合して触媒用インク成
形した。この触媒用インクを前述のガス拡散層の片側に
塗布し、乾燥することでガス拡散層に触媒層を形成し
た。
Platinum fine particles (average particle size 30
66% by weight of a catalyst supporting 50% by weight of Å), and 33 parts by weight (as solid content) of a perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (a 5% by weight Nafion dispersion manufactured by Aldrich, USA) as a hydrogen ion conductor. A catalyst ink was formed by mixing 100 ppm of zirconia (ZrO 2 ). This catalyst ink was applied to one side of the gas diffusion layer and dried to form a catalyst layer on the gas diffusion layer.

【0032】上述のようにして得た触媒層を形成したガ
ス拡散層を、高分子電解質膜(米国デュポン社製、ナフ
ィオン112)の両面に接合し、図1に示す構造のME
Aを作製した。
The gas diffusion layer on which the catalyst layer obtained as described above was formed was joined to both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Napion 112, manufactured by DuPont, USA) to obtain an ME having the structure shown in FIG.
A was prepared.

【0033】以上のように作製したMEAの高分子電解
質膜の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水
と燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を
成形した。
A gasket plate made of rubber was joined to the outer peripheral portion of the polymer electrolyte membrane of the MEA manufactured as described above, and a manifold hole for circulation of cooling water, fuel gas and oxidizing gas was formed.

【0034】20cm×32cm×1.3mmの外寸を
有し、かつ深さ0.5mmのガス流路および冷却水流路
を有する、フェノール樹脂を含浸した黒鉛板からなる導
電性セパレータ板を準備した。このセパレータ板を2枚
用い、MEAの一方の面に酸化剤ガス流路が成形された
セパレータ板を、裏面に燃料ガス流路が成形されたセパ
レータ板を重ね合わせて単電池を得た。
A conductive separator plate made of a phenol resin-impregnated graphite plate having an outer dimension of 20 cm × 32 cm × 1.3 mm and having a gas channel and a cooling water channel having a depth of 0.5 mm was prepared. . Using two of these separator plates, a unit cell was obtained by laminating a separator plate having an oxidizing gas channel formed on one surface of the MEA and a separator plate having a fuel gas channel formed on the back surface.

【0035】この単電池を2個積層し、冷却水路溝を成
形したセパレータ板で、溝がMEA側に位置するように
して挟み込んで2セル積層電池を得、このパターンを繰
り返して100セル積層電池(スタック)を作製した。
このとき、スタックの両端部には、ステンレス鋼製の集
電板、電気絶縁材料の絶縁板および端板を配置し、締結
ロッドで固定した。このときの締結圧はセパレータの面
積当たり15kgf/cm2とした。この電池を実施例
の電池X1とした。
Two unit cells were stacked and sandwiched with a separator plate formed with a cooling channel groove so that the groove was positioned on the MEA side to obtain a two-cell stacked battery. This pattern was repeated to obtain a 100-cell stacked battery. (Stack) was prepared.
At this time, a current collector plate made of stainless steel, an insulating plate made of an electrically insulating material and an end plate were arranged at both ends of the stack, and were fixed with fastening rods. The fastening pressure at this time was 15 kgf / cm 2 per area of the separator. This battery was designated as battery X1 of the example.

【0036】(比較例1)実施例1では、白金粒子を担
持する導電性炭素粒子として、所定のプロセスを経たグ
ラファイトを用い、さらに触媒層に所定量のジルコニア
を混合した。これに対して、比較例として触媒層を形成
する際、表面に親水性官能基である−OHと、−COO
Hが残存する導電性炭素粒子であるケッチェンブラック
(オランダ国AKZO Chemie社、平均一次粒子
径30nm)を用い、保水剤であるジルコニアを添加し
ないものを作成した。このとき用いたケッチェンブラッ
クの表面に残存する−OHと、−COOHとを定量した
ところ、ケッチェンブラックの炭素6ケに対して、酸素
の数として0.3ケ程度であった。
Comparative Example 1 In Example 1, as a conductive carbon particle carrying platinum particles, graphite subjected to a predetermined process was used, and a predetermined amount of zirconia was further mixed in the catalyst layer. On the other hand, when a catalyst layer is formed as a comparative example, the hydrophilic functional groups -OH and -COO are formed on the surface.
Using Ketjen black (AKZO Chemie, the Netherlands, average primary particle diameter: 30 nm), which is conductive carbon particles in which H remains, one without the addition of zirconia as a water retention agent was prepared. When -OH and -COOH remaining on the surface of the Ketjen Black used at this time were quantified, the number of oxygen was about 0.3 with respect to 6 carbons of the Ketjen Black.

【0037】これ以外は、実施例1と同じ材料と工法で
比較例の電池Y1を作成した。
Except for this, a battery Y1 of a comparative example was prepared using the same materials and the same method as in Example 1.

【0038】(評価試験)実施例の電池X1と比較例の
電池Y1に対して、燃料極に純水素ガスを、空気極に空
気をそれぞれ供給し、電池温度を75℃、燃料ガス利用
率(Uf)を70%、空気利用率(Uo)を40%と
し、ガス加湿は燃料ガスを70℃、空気を50℃のバブ
ラーを通して行うことで、電池の放電試験を行った。そ
の結果を図3に示した。
(Evaluation Test) With respect to the battery X1 of the embodiment and the battery Y1 of the comparative example, pure hydrogen gas was supplied to the fuel electrode and air was supplied to the air electrode. Uf) was set to 70%, air utilization rate (Uo) was set to 40%, and gas humidification was performed by passing a fuel gas through a bubbler at 70 ° C. and air through a bubbler at 50 ° C. to perform a discharge test of the battery. The result is shown in FIG.

【0039】図3は、作動時間と単電池当たりの電池電
圧との関係を示すグラフである。電流密度を0.8A/
cm2としたとき、電池の初期電圧は、電池X1が52
5mV、電池Y1が572mVであり、初期特性は比較
例の電池Y1の方が優れていた。しかし、動作後150
0時間を経たときの電圧は、X1が478mV、Y1が
445mVと、特性が逆転し、実施例の電池は比較例の
電池と比べて、優れた耐久性能を有することを確認し
た。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the operating time and the battery voltage per unit cell. 0.8 A /
cm 2 , the initial voltage of the battery is 52 for the battery X1.
The battery Y1 was 5 mV and the battery Y1 was 572 mV, and the battery Y1 of the comparative example was superior in initial characteristics. However, after operation 150
With respect to the voltage after 0 hours, the characteristics were reversed with X1 being 478 mV and Y1 being 445 mV, and it was confirmed that the batteries of the examples had better durability performance than the batteries of the comparative examples.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上のように、表面に親水性官能基を持
たない導電性炭素粒子若しくは導電性炭素繊維に担持し
た貴金属触媒と、水素イオン伝導性高分子電解質と金属
酸化物粒子とで触媒層を形成することで、優れた耐久性
をもつ燃料電池を得ることが出来た。
As described above, a catalyst comprising a noble metal catalyst supported on conductive carbon particles or conductive carbon fibers having no hydrophilic functional group on the surface, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte and metal oxide particles. By forming the layers, a fuel cell having excellent durability was obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池
の構成要素であるMEAの構成を示す概略断面図
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a configuration of an MEA which is a component of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例である高分子電解質型燃料電池
の構成要素である単電池の構成を示す概略断面図
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a unit cell which is a component of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施例および比較例の電池の電
圧―作動時間特性を示すグラフ
FIG. 3 is a graph showing voltage-operation time characteristics of the batteries of the first embodiment and the comparative example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 高分子電解質膜 12 触媒層 13 ガス拡散層 14 電極 15 MEA 21 セパレータ板 22 ガス流路 23 単電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Polymer electrolyte membrane 12 Catalyst layer 13 Gas diffusion layer 14 Electrode 15 MEA 21 Separator plate 22 Gas flow path 23 Single cell

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新倉 順二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS01 BB05 BB06 BB08 BB12 CC06 DD05 DD08 EE03 EE06 EE08 EE12 EE18 EE19 5H026 AA06 CC03 CX05 EE02 EE05 EE12 EE18 5H027 AA06  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Junji Arakura 1006 Odomo Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F term (reference) 5H018 AA06 AS01 BB05 BB06 BB08 BB12 CC06 DD05 DD08 EE03 EE06 EE08 EE12 EE18 EE19 5H026 AA06 CC03 CX05 EE02 EE05 EE12 EE18 5H027 AA06

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜の裏表の両面に配置
した一対の電極とで単電池を構成し、前記電極の一方に
水素を含む燃料ガスを供給排出し、前記電極の他方に酸
化剤ガスを供給排出するためのガス供給溝を形成した一
対の導電性セパレータで、前記単電池を挟持した燃料電
池において、 前記電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜と接触
した触媒層と、前記触媒層及び前記導電性セパレータに
接触したガス拡散層とを有し、前記触媒層は表面に親水
性官能基を持たない導電性炭素粒子若しくは導電性炭素
繊維に担持した貴金属触媒と、水素イオン伝導性高分子
電解質と金属酸化物粒子とを有することを特徴とする燃
料電池。
1. A unit cell comprising a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes arranged on both sides of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, wherein one of the electrodes contains hydrogen. In a fuel cell in which the unit cell is sandwiched between a pair of conductive separators that supply and discharge a fuel gas and form a gas supply groove for supplying and discharging an oxidizing gas to the other of the electrodes, the electrode includes the hydrogen ion A catalyst layer in contact with the conductive polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer and the conductive separator, wherein the catalyst layer has conductive carbon particles having no hydrophilic functional group on the surface or A fuel cell comprising: a noble metal catalyst supported on conductive carbon fibers; a hydrogen ion conductive polymer electrolyte; and metal oxide particles.
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