JP2004253399A - Fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

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新 中村
Yoshimi Kubo
佳実 久保
Tsutomu Yoshitake
務 吉武
Yuichi Shimakawa
祐一 島川
Takashi Masako
隆志 眞子
Takeshi Obata
毅 小畑
Hidekazu Kimura
英和 木村
Hideto Imai
英人 今井
Sadanori Kuroshima
貞則 黒島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase close adhesion at the interface of an electrode surface and a solid polyelectrolyte film, and improve a battery property and reliability. <P>SOLUTION: An adhesion layer 161 is provided between a solid polyelectrolyte film 114 and a fuel electrode 102. The solid polyelectrolyte film 114 and the adhesion layer 161 are constructed of identical solid polyelectrolytes. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same .

固体高分子型燃料電池はパーフルオロスルフォン酸膜等の固体高分子電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極および酸化剤極を接合して構成され、燃料極に水素、酸化剤極に酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。   A polymer electrolyte fuel cell is composed of a solid polymer electrolyte membrane such as a perfluorosulfonic acid membrane as an electrolyte, and a fuel electrode and an oxidant electrode joined to both sides of this membrane. This is a device that supplies oxygen and generates power by an electrochemical reaction.

各電極では次のような電気化学反応が生じている。
燃料極:H→2H+2e
酸化剤極:1/2O+2H+2e→H
The following electrochemical reaction occurs in each electrode.
The fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e -
Oxidant electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

この反応によって、固体高分子型燃料電池は常温・常圧で1A/cm以上の高出力を得ることができる。 By this reaction, the polymer electrolyte fuel cell can obtain a high output of 1 A / cm 2 or more at normal temperature and normal pressure.

燃料極および酸化剤極には、触媒金属が担持された炭素粒子と固体高分子電解質との混合体が備えられている。一般的に、この混合体は、燃料のガスの拡散層となるカーボンペーパーなどの電極基体上に塗布されて構成される。これら2つの電極により固体高分子電解質膜を挟み、熱圧着することにより燃料電池が構成される。   The fuel electrode and the oxidizer electrode are provided with a mixture of carbon particles carrying a catalyst metal and a solid polymer electrolyte. In general, the mixture is applied to an electrode substrate such as carbon paper which becomes a fuel gas diffusion layer. A fuel cell is formed by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between these two electrodes and thermocompression bonding.

この構成の燃料電池において、燃料極に供給された水素ガスは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、電子を放出して水素イオンとなる。放出された電子は燃料極内の炭素粒子および固体電解質を通って外部回路へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。   In the fuel cell having this configuration, the hydrogen gas supplied to the fuel electrode passes through the pores in the electrode and reaches the catalyst, and emits electrons to become hydrogen ions. The emitted electrons are led to an external circuit through the carbon particles and the solid electrolyte in the fuel electrode, and flow into the oxidant electrode from the external circuit.

一方、燃料極において発生した水素イオンは、燃料極中の固体高分子電解質および両電極間に配置された固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸化剤極に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と反応して上記反応式に示すように水を生じる。この結果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が流れ、電力が取り出される。   On the other hand, hydrogen ions generated at the fuel electrode reach the oxidizer electrode through the solid polymer electrolyte in the fuel electrode and the solid polymer electrolyte membrane disposed between the two electrodes, and the oxygen supplied to the oxidizer electrode becomes It reacts with the electrons flowing from the external circuit to produce water as shown in the above reaction formula. As a result, in the external circuit, electrons flow from the fuel electrode to the oxidant electrode, and power is extracted.

上記のような構成の燃料電池の特性を向上させるためには、電極と固体高分子電解質膜との界面の密着性が良好であることが重要となる。すなわち、両者の界面において、電極反応によって生じた水素イオンの伝導性が高いことが要求される。界面の密着性が不良であると、水素イオンの伝導性が低下して電気抵抗が上昇し、電池効率の低下をもたらす原因となる。   In order to improve the characteristics of the fuel cell configured as described above, it is important that the adhesion between the electrode and the solid polymer electrolyte membrane be good. That is, it is required that the conductivity of hydrogen ions generated by the electrode reaction is high at the interface between the two. If the adhesion at the interface is poor, the conductivity of hydrogen ions is reduced, the electrical resistance is increased, and the battery efficiency is reduced.

以上、水素を燃料とした燃料電池について説明したが、近年はメタノールなどの有機液体燃料を用いた燃料電池の研究開発も盛んに行われている。   As described above, the fuel cell using hydrogen as a fuel has been described. In recent years, research and development of a fuel cell using an organic liquid fuel such as methanol have been actively performed.

有機液体燃料を使用する燃料電池には、有機液体燃料を水素ガスへ改質して燃料として使用するものや、ダイレクトメタノール型燃料電池に代表されるような、有機液体燃料を改質せずに燃料極に直接供給するものなどが知られている。   Fuel cells that use organic liquid fuel include those that reform organic liquid fuel into hydrogen gas and use it as fuel, and those that do not reform organic liquid fuel, such as direct methanol fuel cells. A fuel supply system directly to the fuel electrode is known.

中でも、有機液体燃料を改質せずに燃料極に直接供給する燃料電池は、有機液体燃料を直接燃料極に供給する構造であるため、改質器のような装置を必要としない。そのため、電池の構成を簡単なものとすることができ、装置全体を小型化することが可能であるというメリットを有している。また、水素ガスや炭化水素ガス等の気体燃料と比較して、有機液体燃料は容易かつ安全に運搬可能であるという特徴も有している。   Above all, a fuel cell that directly supplies an organic liquid fuel to a fuel electrode without reforming it does not require a device such as a reformer because it has a structure in which an organic liquid fuel is directly supplied to a fuel electrode. Therefore, there is an advantage that the configuration of the battery can be simplified and the entire device can be reduced in size. Further, compared with gaseous fuels such as hydrogen gas and hydrocarbon gas, the organic liquid fuel has a feature that it can be transported easily and safely.

一般的に、有機液体燃料を使用する燃料電池においては、電解質として固体高分子イオン交換樹脂からなる固体高分子電解質膜が用いられる。ここで、燃料電池が機能するためには、水素イオンがこの膜中を燃料極から酸化剤極へ移動することが必要であるが、この水素イオンの移動には水の移動が伴うことが知られており、当該膜には一定の水分が含まれていることが必要である。   Generally, in a fuel cell using an organic liquid fuel, a solid polymer electrolyte membrane made of a solid polymer ion exchange resin is used as an electrolyte. Here, in order for the fuel cell to function, it is necessary for hydrogen ions to move through the membrane from the fuel electrode to the oxidizer electrode. It is known that the movement of the hydrogen ions is accompanied by the movement of water. It is necessary that the film contains a certain amount of moisture.

しかし、水に対して親和性の高いメタノールなどの有機液体燃料を用いる場合、当該有機液体燃料は水分を含んだ固体高分子電解質膜に拡散し、さらには、酸化剤極まで到達する(クロスオーバー)という克服すべき課題を有していた。このクロスオーバーは、本来燃料極において電子を提供すべき有機液体燃料が酸化剤極側で酸化されてしまい、燃料として有効に使用されないことから、電圧や出力の低下、燃料効率の低下を引き起こす。   However, when an organic liquid fuel such as methanol having a high affinity for water is used, the organic liquid fuel diffuses into the solid polymer electrolyte membrane containing water and further reaches the oxidant electrode (crossover). ). This crossover causes a decrease in voltage and output and a decrease in fuel efficiency because the organic liquid fuel that should originally provide electrons at the fuel electrode is oxidized on the oxidant electrode side and is not effectively used as fuel.

こうしたクロスオーバーの問題を解消する観点からは、固体高分子電解質膜の材料として含水率の低い高分子を選択し、メタノールなどの有機液体燃料が水とともに拡散することを抑制することが望まれる。しかしながら、その電解質膜に接する電極表面の触媒層については、電極層から燃料となる有機液体燃料を効率良く移動させ、多くの水素イオンを供給することが重要である。すなわち、電極表面の触媒層は有機液体燃料をよく透過し、電解質膜は有機液体燃料を透過させないようにすることが望ましい。このようにするためには、電極表面の触媒層を構成する高分子としては含水率が高く有機液体燃料の透過性の高い性質を有するものを用い、固体高分子電解質膜を構成する高分子としては含水率が低く有機液体燃料の透過性の低い性質を有するものを用いることが好適と考えられる。   From the viewpoint of solving such a crossover problem, it is desired to select a polymer having a low water content as a material for the solid polymer electrolyte membrane and to suppress the diffusion of an organic liquid fuel such as methanol with water. However, for the catalyst layer on the electrode surface in contact with the electrolyte membrane, it is important to efficiently move the organic liquid fuel as fuel from the electrode layer and supply a large amount of hydrogen ions. That is, it is desirable that the catalyst layer on the electrode surface is permeable to the organic liquid fuel and the electrolyte membrane is permeable to the organic liquid fuel. In order to achieve this, as the polymer constituting the catalyst layer on the electrode surface, a polymer having a high water content and a property of high permeability of organic liquid fuel is used, and the polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane is used. It is considered preferable to use a material having a low water content and a property of low permeability of organic liquid fuel.

特許文献1には、イオン導電性を維持しながらメタノールのクロスオーバーを抑制することを可能にするイオン導電性膜に関する技術が開示されている。ここでは、ナフィオン(登録商標)等のフッ素樹脂を基本構造とするイオン導電性膜の表面層を電子線照射等により改質して導電性が内部の導電性に比較して低くなるようにしている。
特開2001−167775号公報
Patent Literature 1 discloses a technique relating to an ion-conductive film that makes it possible to suppress methanol crossover while maintaining ionic conductivity. Here, the surface layer of the ion conductive film having a basic structure of a fluororesin such as Nafion (registered trademark) is modified by electron beam irradiation or the like so that the conductivity becomes lower than the internal conductivity. I have.
JP 2001-167775 A

ところが、上記のように電極表面触媒層の材料と固体高分子電解質膜の材料とを異なる材料とした場合、一般に、充分な密着性が得られず、電極表面と固体高分子電解質膜との界面で剥離が発生する場合がある。このような剥離が発生すると、界面における電気抵抗が上昇し、電池性能の信頼性の低下をもたらす原因となる。また、上記特許文献1に記載されたように、イオン導電性膜の表面層を改質した場合も、イオン導電性膜の膨潤時の表面強度が上がり、電極表面触媒層との密着性が悪化するという課題を有していた。   However, when the material of the electrode surface catalyst layer and the material of the solid polymer electrolyte membrane are different from each other as described above, generally, sufficient adhesion cannot be obtained, and the interface between the electrode surface and the solid polymer electrolyte membrane is generally not obtained. May cause peeling. When such peeling occurs, the electric resistance at the interface increases, which causes a decrease in the reliability of the battery performance. Further, as described in Patent Document 1, even when the surface layer of the ion conductive film is modified, the surface strength of the ion conductive film at the time of swelling increases, and the adhesion to the electrode surface catalyst layer deteriorates. Had the problem of doing so.

上記事情に鑑み、本発明は、電極表面と固体高分子電解質膜との界面における密着性を高め、電池特性の向上および電池の信頼性の向上を図ることを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to improve the adhesion at the interface between the electrode surface and the solid polymer electrolyte membrane to improve battery characteristics and battery reliability.

また本発明は、電極表面における水素イオン伝導性や有機液体燃料の透過性等を良好に維持しつつ有機液体燃料のクロスオーバーを抑制することを目的とする。   Another object of the present invention is to suppress the crossover of the organic liquid fuel while maintaining good hydrogen ion conductivity and the permeability of the organic liquid fuel on the electrode surface.

燃料電池の固体高分子電解質には、一般に、ナフィオン(登録商標)等に代表される高い水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質が使用されている。こうした固体高分子電解質における高い水素イオン伝導性は、高分子電解質が多量の水分を含むことによって発現するのであるが、一方では、この多量の水分の含有により、メタノールのような有機液体燃料が水に容易に溶解してクロスオーバーを発生することを促すこととなる。   In general, a solid polymer electrolyte having high hydrogen ion conductivity represented by Nafion (registered trademark) or the like is used as a solid polymer electrolyte of a fuel cell. The high proton conductivity of such a solid polymer electrolyte is manifested when the polymer electrolyte contains a large amount of water. On the other hand, the large amount of water contained causes an organic liquid fuel such as methanol to become watery. To facilitate the occurrence of crossover.

そこで本発明者は、クロスオーバーの抑制を図るため、燃料極や酸化剤極、固体高分子電解質膜を構成する固体高分子電解質として、ナフィオン等よりも有機液体燃料透過性の低い高分子材料を用いてダイレクトメタノール型燃料電池を作製し、評価を行った。ところが、この燃料電池はナフィオンを用いた従来の電池と比較して電池特性が低下した。これは、燃料極において、メタノールの透過性、水素イオン伝導性が低下したことによるものと考えられる。上記燃料電池の燃料極は、触媒を担持する炭素粒子と、バインダとしての固体高分子電解質が混在した形態の触媒層を備えた構成となっており、触媒間に固体高分子電解質が介在した構造となっている。このため、電極表面でメタノール、水素、電子が円滑に移動するためには、これらの伝達経路となる固体高分子電解質が、高いメタノール等液体燃料透過性および優れた水素イオン伝導性を有していることが必要となる。上記構造の電池では、固体高分子電解質がこれらの性能が充分に満足していなかったため、良好な電池特性が得られなかったものと考えられる。   In order to suppress crossover, the present inventor used a polymer material having a lower organic liquid fuel permeability than Nafion or the like as a fuel electrode, an oxidizer electrode, or a solid polymer electrolyte constituting a solid polymer electrolyte membrane. A direct methanol fuel cell was fabricated using the same and evaluated. However, the cell characteristics of this fuel cell were lower than those of a conventional cell using Nafion. This is considered to be due to the decrease in methanol permeability and hydrogen ion conductivity at the fuel electrode. The fuel electrode of the fuel cell has a structure including a catalyst layer in which carbon particles carrying a catalyst and a solid polymer electrolyte as a binder are mixed, and a structure in which the solid polymer electrolyte is interposed between the catalysts. It has become. For this reason, in order for methanol, hydrogen, and electrons to move smoothly on the electrode surface, the solid polymer electrolyte serving as these transmission paths has high liquid fuel permeability such as methanol and excellent hydrogen ion conductivity. It is necessary to be. It is probable that in the battery having the above structure, the solid polymer electrolyte did not sufficiently satisfy these performances, so that good battery characteristics could not be obtained.

次に本発明者らは、燃料極における触媒反応を効率化するために、電極表面の固体高分子電解質としてナフィオンを用い、固体高分子電解質膜として、ナフィオン等よりも有機液体燃料透過性の低い高分子材料を用いてダイレクトメタノール型燃料電池の作製を試みたところ、燃料極と固体高分子電解質膜との接合が不充分であり、評価に耐える電池を得ることができなかった。   Next, the present inventors use Nafion as a solid polymer electrolyte on the electrode surface to improve the efficiency of the catalytic reaction at the fuel electrode, and as a solid polymer electrolyte membrane, have a lower organic liquid fuel permeability than Nafion or the like. When an attempt was made to produce a direct methanol fuel cell using a polymer material, the bonding between the fuel electrode and the solid polymer electrolyte membrane was insufficient, and a battery that could withstand the evaluation could not be obtained.

以上の予備実験の結果を踏まえ、さらに検討を行った結果、本発明者らは、複数種類の固体高分子電解質を有効に利用することにより、電極表面と固体高分子電解質膜との界面における密着性を効果的に高めることができることを見いだし、本発明の完成に至った。   Based on the results of the preliminary experiments described above, as a result of further studies, the present inventors have found that by effectively utilizing a plurality of types of solid polymer electrolytes, the adhesion at the interface between the electrode surface and the solid polymer electrolyte membrane is improved. It has been found that the properties can be effectively improved, and the present invention has been completed.

本発明によれば、フッ素を含有する高分子からなる第一の固体高分子電解質および触媒物質を含む触媒電極と、フッ素を含まない高分子からなる固体高分子電解質膜と、触媒電極と固体高分子電解質膜との間に設けられ、フッ素を含まない高分子からなる第二の固体高分子電解質を含む接着層と、を有することを特徴とする燃料電池が提供される。 According to the present invention, a first solid polymer electrolyte made of a polymer containing fluorine and a catalyst electrode containing a catalyst substance, a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer containing no fluorine, a catalyst electrode and a solid polymer is provided between the polymer electrolyte membrane, an adhesive layer comprising a second solid polymer electrolyte composed of a polymer containing no fluorine, Ru is provided a fuel cell characterized by having a.

発明における「触媒電極」は、触媒を含む電極であり、燃料極および酸化剤極を含む総称として用いている。触媒電極表面における第一の固体高分子電解質は、電極表面において、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜を電気的に接続するとともに触媒表面に有機液体燃料を到達させる役割を有しており、水素イオン伝導性や水移動性が要求され、さらに、燃料極においてはメタノール等の有機液体燃料透過性が求められ、酸化剤極においては酸素透過性が求められる。第一の固体高分子電解質はこうした要求を満たすためのものであり、水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過性に優れる材料が好ましく用いられる。 The “catalyst electrode” in the present invention is an electrode containing a catalyst, and is used as a general term including a fuel electrode and an oxidant electrode. The first solid polymer electrolyte on the catalyst electrode surface has a role of electrically connecting the catalyst-supporting carbon particles and the solid polymer electrolyte membrane on the electrode surface and allowing the organic liquid fuel to reach the catalyst surface. In addition, hydrogen ion conductivity and water mobility are required, and further, permeability of an organic liquid fuel such as methanol is required at a fuel electrode, and oxygen permeability is required at an oxidant electrode. The first solid polymer electrolyte satisfies these requirements, and a material having excellent hydrogen ion conductivity and organic liquid fuel permeability such as methanol is preferably used.

一方、固体高分子電解質膜は、燃料極と酸化剤極を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有し、さらに、液体燃料が燃料極から酸化剤極へ移動すること、すなわち有機液体燃料のクロスオーバーを抑える性質を備えていることが望まれる。   On the other hand, the solid polymer electrolyte membrane separates the fuel electrode and the oxidizer electrode, and has a role of moving hydrogen ions between the two.In addition, the liquid fuel moves from the fuel electrode to the oxidizer electrode, that is, It is desired to have the property of suppressing the crossover of the organic liquid fuel.

以上のように燃料極および酸化剤極と固体高分子電解質膜とは、互いに要求される性質が異なることから、それぞれ異なる材料により構成することが望ましい。しかしながら、このような異なる材料間の界面の密着性を充分に確保することは一般に困難である。そこで本発明は、触媒電極と固体高分子電解質膜との間に接着層を設けることにより、電極および固体高分子電解質膜に適した材料を選択した場合でも両者の間の密着性を充分にすることができる。   As described above, since the fuel electrode, the oxidizer electrode, and the solid polymer electrolyte membrane have different properties required from each other, it is desirable that they are formed of different materials. However, it is generally difficult to ensure sufficient adhesion at the interface between such different materials. Therefore, the present invention provides an adhesive layer between the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane, thereby ensuring sufficient adhesion between the electrodes and the solid polymer electrolyte membrane even when a material suitable for the electrode and the solid polymer electrolyte membrane is selected. be able to.

すなわち、本発明に係る触媒電極は、電極表面が第一の固体高分子電解質を含み、接着層が第二の固体高分子電解質を含む構成とし、第一の固体高分子電解質によって電極表面における水素イオンや液体燃料の円滑な移動を担保するとともに、第二の固体高分子電解質により、触媒電極と固体高分子電解質膜との間の界面を強固に密着せしめている。本発明によれば、こうした構成を採用することにより、触媒電極と固体高分子電解質膜との間の界面における電気抵抗の上昇を抑制しつつ、良好な電池効率を長期間にわたって安定的に実現することができる。   That is, the catalyst electrode according to the present invention has a configuration in which the electrode surface contains the first solid polymer electrolyte, the adhesive layer contains the second solid polymer electrolyte, and the first solid polymer electrolyte allows hydrogen to be applied to the electrode surface. The smooth movement of ions and liquid fuel is ensured, and the interface between the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane is firmly adhered by the second solid polymer electrolyte. According to the present invention, by adopting such a configuration, good battery efficiency is stably realized over a long period of time while suppressing an increase in electric resistance at the interface between the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane. be able to.

本発明における接着層は、固体高分子電解質膜と触媒電極との間の全面にわたって形成される必要はなく、これらの間の少なくとも一部に形成されていればよい。また、接着層は、第一の固体高分子電解質を含むこともできる。この場合、接着層中の第一の固体高分子電解質の含有率は、触媒電極から固体高分子電解質膜に向かう方向に沿って分布を有していてもよい。たとえば、接着層が、触媒電極と接する側において第一の固体高分子電解質を含み、固体高分子電解質膜と接する側において第一の固体高分子電解質を含まない構成とすることができる。このとき同時に、接着層が、触媒電極と接する側において第二の固体高分子電解質を含まず、固体高分子電解質膜と接する側において第二の固体高分子電解質を含む構成とすることができる。このようにすれば、接着層と触媒電極、および接着層と固体高分子電解質膜の密着性をそれぞれ向上することができる。   The adhesive layer in the present invention does not need to be formed over the entire surface between the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst electrode, but may be formed at least partially between them. Further, the adhesive layer can include the first solid polymer electrolyte. In this case, the content of the first solid polymer electrolyte in the adhesive layer may have a distribution along the direction from the catalyst electrode to the solid polymer electrolyte membrane. For example, a configuration in which the adhesive layer includes the first solid polymer electrolyte on the side in contact with the catalyst electrode and does not include the first solid polymer electrolyte on the side in contact with the solid polymer electrolyte membrane. At this time, the adhesive layer may be configured not to include the second solid polymer electrolyte on the side in contact with the catalyst electrode but to include the second solid polymer electrolyte on the side in contact with the solid polymer electrolyte membrane. This can improve the adhesion between the adhesive layer and the catalyst electrode, and between the adhesive layer and the solid polymer electrolyte membrane.

さらに、接着層は、触媒物質を含むこともできる。この場合、接着層中の触媒物質の含有率は、触媒電極から固体高分子電解質膜に向かう方向に沿って分布を有していてもよい。たとえば、接着層が、触媒電極と接する側において触媒物質を含み、固体高分子電解質膜と接する側において触媒物質を含まない構成とすることができる。接着層が触媒物質を含む構成とすることにより、接着層においても電子の伝導性を良好にすることができる。   Further, the adhesive layer may include a catalytic substance. In this case, the content of the catalyst substance in the adhesive layer may have a distribution along the direction from the catalyst electrode to the solid polymer electrolyte membrane. For example, it is possible to adopt a configuration in which the adhesive layer contains a catalytic substance on the side in contact with the catalyst electrode and does not contain a catalytic substance on the side in contact with the solid polymer electrolyte membrane. When the adhesive layer includes a catalyst substance, the electron conductivity can be improved even in the adhesive layer.

ここで、第二の固体高分子電解質は、第一の固体高分子電解質よりも固体高分子電解質膜に対する密着性が高いものとすることができる。また、第二の固体高分子電解質は、固体高分子電解質膜を構成する固体高分子電解質またはその誘導体からなるものとすることができる。こうすることにより、接着層を構成する第二の固体高分子電解質を介して第一の固体高分子電解質と固体高分子電解質膜との間に良好な密着性が発現する。   Here, the second solid polymer electrolyte can have higher adhesion to the solid polymer electrolyte membrane than the first solid polymer electrolyte. Further, the second solid polymer electrolyte can be made of a solid polymer electrolyte constituting the solid polymer electrolyte membrane or a derivative thereof. By doing so, good adhesion is developed between the first solid polymer electrolyte and the solid polymer electrolyte membrane via the second solid polymer electrolyte constituting the adhesive layer.

本発明の燃料電池において、前記触媒電極に有機液体燃料が供給される構成とすることができる。すなわち、いわゆるダイレクト型の燃料電池とすることができる。ここで有機液体燃料としては、たとえばメタノールとすることができる。直接型の燃料電池は電池効率が高い、改質器が不要であるため省スペース化を図ることができる、等の利点が得られる反面、メタノールなどの有機液体燃料のクロスオーバーが問題となる。本発明によれば、こうしたクロスオーバーの問題を解消しつつ触媒電極と固体高分子電解質膜との間の界面における電気抵抗の上昇を抑制し、良好な電池効率を長期間にわたって安定的に実現することができる。   In the fuel cell according to the present invention, an organic liquid fuel may be supplied to the catalyst electrode. That is, a so-called direct type fuel cell can be obtained. Here, the organic liquid fuel can be, for example, methanol. The direct type fuel cell has advantages such as high cell efficiency and space saving because no reformer is required, but crossover of an organic liquid fuel such as methanol becomes a problem. According to the present invention, while suppressing such a crossover problem, an increase in electric resistance at the interface between the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane is suppressed, and good battery efficiency is stably realized over a long period of time. be able to.

また本発明によれば、触媒物質および第一の固体高分子電解質を含む電極層と、該電極層上に形成された第二の固体高分子電解質を含む接着層と、を有することを特徴とする燃料電池用電極が提供される。   Further, according to the present invention, it is characterized by having an electrode layer containing a catalyst substance and a first solid polymer electrolyte, and an adhesive layer containing a second solid polymer electrolyte formed on the electrode layer. An electrode for a fuel cell is provided.

本発明によれば、第一の固体高分子電解質によって触媒電極の表面における水素イオン伝導性および液体燃料透過性を良好にしつつ、第二の固体高分子電解質により触媒電極と固体高分子電解質膜を強固に接合することができる。従来の触媒電極では、電極表面を構成する固体電解質が電極性能と界面密着性の両方を同時に満たす必要があったが、本発明においては、接着層を設けているため、第一の固体高分子電解質が電極性能を良好にし、第二の固体高分子電解質が界面密着性を良好にする役割を果たせばよい。したがって、単一種類の固体高分子電解質では実現困難な電極性能と界面密着性の両立を安定的に実現することが可能となる。   According to the present invention, while improving hydrogen ion conductivity and liquid fuel permeability on the surface of the catalyst electrode by the first solid polymer electrolyte, the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane are formed by the second solid polymer electrolyte. Can be firmly joined. In the conventional catalyst electrode, the solid electrolyte constituting the electrode surface had to simultaneously satisfy both the electrode performance and the interfacial adhesion, but in the present invention, since the adhesive layer is provided, the first solid polymer The electrolyte may improve the electrode performance, and the second solid polymer electrolyte may function to improve the interfacial adhesion. Therefore, it is possible to stably realize both electrode performance and interfacial adhesion, which are difficult to achieve with a single type of solid polymer electrolyte.

さらに本発明によれば、基体上に触媒層、接着層がこの順で形成された燃料電池用電極の製造方法であって、触媒金属を担持した導電粒子と、第一の固体高分子電解質とを含有する第一の塗布液を基体上に塗布して前記触媒層を形成する工程と、前記第一の固体高分子電解質とは異なる高分子からなる第二の固体高分子電解質を含有する第二の塗布液を触媒層上に塗布して前記接着層を形成する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法が提供される。 Furthermore, according to the present invention, there is provided a method for producing an electrode for a fuel cell, in which a catalyst layer and an adhesive layer are formed on a substrate in this order, comprising: conductive particles carrying a catalyst metal; and a first solid polymer electrolyte . contains a second solid polymer electrolyte composed of different polymer bets and forming the catalyst layer of the first coating liquid was coated on a substrate containing, as the first solid polymer electrolyte Applying the second coating solution to the catalyst layer to form the adhesive layer.

この製造方法によれば、第一の固体高分子電解質を含有する第一の塗布液を基体上に塗布して触媒層を形成し、その後、第一の固体高分子電解質とは異なる高分子からなる第二の固体高分子電解質を含有する第二の塗布液を触媒層上に塗布して接着層を形成する。このため、第一の固体高分子電解質の層の上に第二の固体高分子電解質の層が形成されることとなり、両者間に優れた密着性が発現する。このような方法を採用することにより良好な密着性が得られる理由は必ずしも明らかではないが、触媒層が粒子の層によって構成されるため、その表面に適度な凹凸が生じ、接着層との間の接触面積が増加して吸着ないし結合が生じやすいことによるものと推察される。ここで、固体高分子電解質膜が第二の固体高分子電解質を含むように構成すれば、接着層と固体高分子電解質膜との間の密着性も良好にすることができる。 According to this production method, a first coating solution containing a first solid polymer electrolyte is applied to a substrate to form a catalyst layer, and then a catalyst different from the first solid polymer electrolyte is used. The second coating solution containing the second solid polymer electrolyte is applied on the catalyst layer to form an adhesive layer. For this reason, the second solid polymer electrolyte layer is formed on the first solid polymer electrolyte layer, and excellent adhesion between the two is exhibited. Although the reason why good adhesion is obtained by adopting such a method is not necessarily clear, since the catalyst layer is constituted by a layer of particles, moderate irregularities are generated on the surface thereof, and a gap between the catalyst layer and the adhesive layer is generated. This is presumed to be due to the fact that the contact area increases and adsorption or binding easily occurs. Here, if the solid polymer electrolyte membrane is configured to include the second solid polymer electrolyte, the adhesion between the adhesive layer and the solid polymer electrolyte membrane can also be improved.

上記塗布液は、第一の固体高分子電解質および第二の固体高分子電解質がそれぞれ塗布液中で分散した構成とすることができる。こうすることにより、塗布時の作業性および製造安定性を良好にすることができる。 The coating liquid may have a configuration in which the first solid polymer electrolyte and the second solid polymer electrolyte are respectively dispersed in the coating liquid. By doing so, the workability during coating and the production stability can be improved.

さらに本発明によれば、上記燃料電池用電極の製造方法によって燃料電池用電極を得た後、接着層と固体高分子電解質膜とを当接させた状態で燃料電池用電極と固体高分子電解質膜とを熱圧着する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。   Further, according to the present invention, after the fuel cell electrode is obtained by the above-described method for producing a fuel cell electrode, the fuel cell electrode and the solid polymer electrolyte are brought into contact with the adhesive layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with each other. A method for manufacturing a fuel cell, comprising a step of thermocompression bonding with a membrane is provided.

この製造方法によれば、接着層を簡便な工程で安定的に形成することができ、触媒電極と固体高分子電解質膜との密着性が良好な燃料電池を安定的に得ることができる。   According to this production method, the adhesive layer can be stably formed in a simple step, and a fuel cell having good adhesion between the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane can be stably obtained.

本発明によれば、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を狭持し、基体上に触媒層が形成された一対の電極とを有する燃料電池の製造方法であって、触媒物質と、第一の固体高分子電解質とを含有する第一の塗布液を基体上に塗布して触媒層を形成する工程と、第一の固体高分子電解質とは異なる高分子からなる第二の固体高分子電解質を含有する第二の塗布液を固体高分子電解質膜に塗布して接着層を形成する工程と、触媒層と接着層とを当接させた状態で電極と固体高分子電解質膜とを熱圧着する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane, and a pair of electrodes sandwiching the solid polymer electrolyte membrane and having a catalyst layer formed on a substrate, comprising: When the second of different polymer forming a catalyst layer a first coating solution containing a first solid polymer electrolyte is coated on a substrate, a first solid polymer electrolyte Applying a second coating solution containing the solid polymer electrolyte to the solid polymer electrolyte membrane to form an adhesive layer, and contacting the catalyst layer and the adhesive layer with the electrode and the solid polymer electrolyte. And a step of thermocompression bonding the membrane and the fuel cell.

本発明において、前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも前記有機液体燃料の透過性が低いことが好ましい。このようにすることにより、触媒電極における有機液体燃料透過性および水素イオン伝導性を確保しつつ、固体高分子電解質膜との密着性を得ることが可能となる。これを実現させるためには、たとえば以下のような構成にするとよい。
(i)前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも含水率が低いこと。
(ii)前記第一の固体高分子電解質および前記第二の固体高分子電解質が、いずれも、プロトン酸基を含む構成とし、前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも前記プロトン酸基の含有密度が低いこと。ここで、プロトン酸基とは、たとえば、スルフォン基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基およびホスフィン酸基からなる群から選択される一または二以上の極性基である。
In the present invention, it is preferable that the second solid polymer electrolyte has lower permeability to the organic liquid fuel than the first solid polymer electrolyte. By doing so, it becomes possible to obtain the adhesion to the solid polymer electrolyte membrane while securing the organic liquid fuel permeability and the hydrogen ion conductivity in the catalyst electrode. In order to realize this, for example, the following configuration may be used.
(I) The second solid polymer electrolyte has a lower moisture content than the first solid polymer electrolyte.
(Ii) the first solid polymer electrolyte and the second solid polymer electrolyte each include a protonic acid group, and the second solid polymer electrolyte includes the first solid polymer electrolyte; The density of the proton acid groups is lower than that of the electrolyte. Here, the proton acid group is, for example, one or more polar groups selected from the group consisting of a sulfone group, a carboxyl group, a phosphate group, a phosphonate group, and a phosphinate group.

また、本発明において、前記第一の固体高分子電解質を、フッ素を含有する高分子からなる構成とすることができる。また、本発明において、前記第二の固体高分子電解質は、フッ素を含まない高分子からなる構成とすることができる。さらに、本発明において、前記第二の固体高分子電解質は、芳香族を含有する高分子からなる構成とすることができる。
なお、本発明における樹脂含有率や触媒含有率の測定は、たとえば、測定対象となる層構造に対して表面からスパッタリングを行いながら二次イオン質量分析(SIMS)を行う等の方法により行うことができる。
Further, in the present invention, the first solid polymer electrolyte may be constituted by a polymer containing fluorine. Further, in the present invention, the second solid polymer electrolyte may be formed of a polymer containing no fluorine. Further, in the present invention, the second solid polymer electrolyte may be constituted by a polymer containing an aromatic.
The measurement of the resin content and the catalyst content in the present invention can be performed by a method such as performing secondary ion mass spectrometry (SIMS) while performing sputtering from the surface of the layer structure to be measured. it can.

以上説明したように本発明によれば、触媒電極と固体高分子電解質膜との間に接着層を設けているため、固体高分子電解質膜と当該電極との良好な密着性が得られる。このため、電極表面と固体高分子電解質膜との界面における密着性を高め、電池特性の向上および電池の信頼性を向上させることができる。また、電極表面における水素イオン伝導性や有機液体燃料の透過性等を良好に維持しつつ有機液体燃料のクロスオーバーを抑制することができる。   As described above, according to the present invention, since the adhesive layer is provided between the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane, good adhesion between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode can be obtained. For this reason, the adhesion at the interface between the electrode surface and the solid polymer electrolyte membrane can be increased, and the battery characteristics and the battery reliability can be improved. Further, the crossover of the organic liquid fuel can be suppressed while maintaining the hydrogen ion conductivity and the permeability of the organic liquid fuel on the electrode surface in good condition.

本発明における燃料電池は、第一の固体高分子電解質および触媒物質を含む触媒電極と、固体高分子電解質膜との間に第二の固体高分子電解質を含む接着層が設けられている。製造工程上、この接着層は、触媒電極または固体高分子電解質膜の表面に形成した後、触媒電極と固体高分子電解質膜とを接合する方式としてもよいし、触媒電極と固体高分子電解質膜との間に第二の固体高分子電解質からなるシートを配置した状態でこれらを熱圧着等により接合する方式とすることもできる。 In the fuel cell of the present invention, an adhesive layer containing a second solid polymer electrolyte is provided between a catalyst electrode containing a first solid polymer electrolyte and a catalyst substance, and a solid polymer electrolyte membrane. In the manufacturing process, the adhesive layer may be formed on the surface of the catalyst electrode or the solid polymer electrolyte membrane and then joined to the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane, or the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane may be used. In a state in which a sheet made of the second solid polymer electrolyte is arranged between the two, these may be joined by thermocompression bonding or the like.

本発明における触媒電極は、触媒物質と第一の固体高分子電解質を含むものである。具体的には、たとえば、カーボンペーパーなどの基体上に、触媒物質と、第一の固体高分子電解質とを含む触媒層が形成された構成とすることができる。ここで、触媒物質は触媒金属と触媒金属を担持する導電粒子を含む。ここで導電粒子としては炭素粒子等が用いられる。第一の固体高分子電解質は、導電粒子を基体上に固定化するとともに導電粒子と固体高分子電解質膜との間を電気的に接続する役割を果たす。   The catalyst electrode in the present invention contains a catalyst substance and a first solid polymer electrolyte. Specifically, for example, it is possible to adopt a configuration in which a catalyst layer containing a catalyst substance and a first solid polymer electrolyte is formed on a substrate such as carbon paper. Here, the catalyst material includes a catalyst metal and conductive particles carrying the catalyst metal. Here, carbon particles or the like are used as the conductive particles. The first solid polymer electrolyte has a role of immobilizing the conductive particles on the base and electrically connecting the conductive particles to the solid polymer electrolyte membrane.

本発明における接着層は、第二の固体高分子電解質を含むものである。第二の固体高分子電解質以外の成分として、触媒金属や触媒金属を担持する炭素粒子等の導電粒子を含んでいてもよい。このように接着層が触媒金属や導電粒子含むことにより、接着層においても有機液体燃料が消費されて電極反応が起こり、接着層の電子の伝導性を良好にすることができる。なお、本発明における接着層は、第一の固体高分子電解質等、第二の固体高分子電解質以外の他の固体高分子電解質を含んでもいてもよい。   The adhesive layer in the present invention contains the second solid polymer electrolyte. As a component other than the second solid polymer electrolyte, conductive particles such as a catalyst metal and carbon particles carrying the catalyst metal may be included. Since the adhesive layer contains the catalytic metal and the conductive particles as described above, the organic liquid fuel is consumed in the adhesive layer, and an electrode reaction occurs, so that the electron conductivity of the adhesive layer can be improved. Note that the adhesive layer in the present invention may include a solid polymer electrolyte other than the second solid polymer electrolyte, such as the first solid polymer electrolyte.

(第一の実施形態)
以下、本発明の第一の実施形態を詳細に説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail.

図1は本実施形態の燃料電池の構造を模式的に表した断面図である。電極−電解質接合体101は、燃料極102、酸化剤極108、固体高分子電解質膜114から構成される。燃料極102は基体104および触媒層106から構成される。酸化剤極108は基体110および触媒層112から構成される。また、固体高分子電解質膜114と燃料極102の間、および固体高分子電解質膜114と酸化剤極108の間にはそれぞれ接着層161が設けられている。上記複数の電極−電解質接合体101が、燃料極側セパレータ120および酸化剤極側セパレータ122を介して電気的に接続され、燃料電池100が製造される。   FIG. 1 is a sectional view schematically showing the structure of the fuel cell according to the present embodiment. The electrode-electrolyte assembly 101 includes a fuel electrode 102, an oxidant electrode 108, and a solid polymer electrolyte membrane 114. The fuel electrode 102 includes a base 104 and a catalyst layer 106. The oxidant electrode 108 includes a base 110 and a catalyst layer 112. Adhesion layers 161 are provided between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the fuel electrode 102 and between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the oxidant electrode 108, respectively. The plurality of electrode-electrolyte assemblies 101 are electrically connected via the fuel electrode side separator 120 and the oxidant electrode side separator 122 to manufacture the fuel cell 100.

燃料極102および酸化剤極108は、触媒および第一の固体高分子電解質を含む触媒層106および触媒層112をそれぞれ備えた構成となっている。固体高分子電解質膜114は第二の固体高分子電解質からなる。接着層161は、第二の固体高分子電解質を含んでいる。第一および第二の固体高分子電解質を構成する具体的材料については後述する。   The fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108 are configured to include a catalyst layer 106 and a catalyst layer 112 containing a catalyst and a first solid polymer electrolyte, respectively. The solid polymer electrolyte membrane 114 is made of a second solid polymer electrolyte. The adhesive layer 161 contains a second solid polymer electrolyte. Specific materials constituting the first and second solid polymer electrolytes will be described later.

以上のように構成された燃料電池100において、各電極−電解質接合体101の燃料極102には、燃料極側セパレータ120を介して燃料124が供給される。また、各電極−電解質接合体101の酸化剤極108には、酸化剤極側セパレータ122を介して空気または酸素などの酸化剤126が供給される。   In the fuel cell 100 configured as described above, the fuel 124 is supplied to the fuel electrode 102 of each electrode-electrolyte assembly 101 via the fuel electrode side separator 120. Further, an oxidant 126 such as air or oxygen is supplied to the oxidant electrode 108 of each electrode-electrolyte assembly 101 via an oxidant electrode side separator 122.

固体高分子電解質膜114は、燃料極102と酸化剤極108を隔てるとともに、両者の間で水素イオンや水分子を移動させる役割を有する。このため、固体高分子電解質膜114は、水素イオンの導電性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体高分子電解質膜114を構成する材料としては、
スルフォン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子;
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルフォン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体;
アクリルアミド−2−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とn−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体;
スルフォン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製));
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(登録商標)S膜(旭硝子社製));
などが例示される。このうち、スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子を選択した場合、有機液体燃料の透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下を抑えることができる。
The solid polymer electrolyte membrane 114 has a role of separating the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108 and moving hydrogen ions and water molecules between the two. For this reason, the solid polymer electrolyte membrane 114 is preferably a membrane having high conductivity of hydrogen ions. Further, it is preferable that the material is chemically stable and has high mechanical strength. As a material constituting the solid polymer electrolyte membrane 114,
Organic polymers having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group, a phosphate group, a phosphone group, or a phosphine group, or a weak acid group such as a carboxyl group are preferably used. As such organic polymers,
Aromatic-containing polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole;
Copolymers such as a polystyrene sulfonic acid copolymer, a polyvinyl sulfonic acid copolymer, a cross-linked alkyl sulfonic acid derivative, a fluorine-containing polymer composed of a fluororesin skeleton and sulfonic acid;
A copolymer obtained by copolymerizing acrylamides such as acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid and acrylates such as n-butyl methacrylate;
Sulfone group-containing perfluorocarbon (Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Corporation));
Carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion (registered trademark) S membrane (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.));
And the like. Of these, when aromatic-containing polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole are selected, permeation of organic liquid fuel can be suppressed, and the battery by crossover can be suppressed. A decrease in efficiency can be suppressed.

また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入し、これらの高分子を溶融した状態で放射線を照射すること等により架橋したものを用いることもできる。   In addition, a crosslinkable substituent, such as a vinyl group, an epoxy group, an acryl group, a methacryl group, a cinnamoyl group, a methylol group, an azide group, and a naphthoquinonediazide group, are appropriately introduced into the polymer described above. A polymer cross-linked by irradiating the polymer with radiation in a molten state can also be used.

図2は燃料極102、酸化剤極108、固体高分子電解質膜114および接着層161の構造を模式的に表した断面図である。図のように、本実施形態における燃料極102および酸化剤極108は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質とを含む膜である触媒層106、触媒層112を基体104、基体110上に形成した構成となっている。基体表面は撥水処理してもよい。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structures of the fuel electrode 102, the oxidizer electrode 108, the solid polymer electrolyte membrane 114, and the adhesive layer 161. As shown, the fuel electrode 102 and oxidizing electrode 108 in this embodiment, the catalyst layer 106 is a layer containing a catalyst was supported carbon particles and solid polymer electrolyte, a catalyst layer 112 The substrate 104, the substrate 110 It has the configuration formed above. The substrate surface may be subjected to a water repellent treatment.

基体104および基体110としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができる。また、基体の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレンなどの撥水剤を用いることができる。   As the bases 104 and 110, a porous base such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, or a foamed metal can be used. Further, a water repellent such as polytetrafluoroethylene can be used for the water repellent treatment of the substrate.

また燃料極102の触媒としては、白金、白金とルテニウム、金、レニウムなどとの合金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示される。一方、酸化剤極108の触媒としては、燃料極102の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極102および酸化剤極108の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。   Examples of the catalyst for the fuel electrode 102 include platinum, alloys of platinum with ruthenium, gold, rhenium, and the like, rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold, silver, nickel, cobalt, lithium, lanthanum, strontium, and yttrium. And the like. On the other hand, as the catalyst for the oxidant electrode 108, the same catalyst as the catalyst for the fuel electrode 102 can be used, and the above-described exemplary substances can be used. The catalysts of the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be the same or different.

また、触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック(デンカブラック(登録商標、電気化学工業社製)、XC72(Vulcan社製)など)、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、0.001〜0.1μm、好ましくは0.02〜0.06μmとする。   Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black (Denka Black (registered trademark, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), XC72 (manufactured by Vulcan), etc.), Ketjen Black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, and the like. . The particle size of the carbon particles is, for example, 0.001 to 0.1 μm, preferably 0.02 to 0.06 μm.

燃料極102または酸化剤極108を構成する固体高分子電解質は、少なくとも第一の固体高分子電解質を含む構成とする。また、燃料極102または酸化剤極108を構成する固体高分子電解質は、第二の固体高分子電解質を含むこともできる。ここで、燃料極102および酸化剤極108の両方について、第一および第二の固体高分子電解質を含む構成としてもよいし、燃料極102および酸化剤極108のいずれか一方について、第一および第二の固体高分子電解質を含む構成としてもよい。   The solid polymer electrolyte constituting the fuel electrode 102 or the oxidizer electrode 108 is configured to include at least the first solid polymer electrolyte. Further, the solid polymer electrolyte constituting the fuel electrode 102 or the oxidizer electrode 108 may include a second solid polymer electrolyte. Here, both the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be configured to include the first and second solid polymer electrolytes. It may be configured to include the second solid polymer electrolyte.

燃料極102および酸化剤極108を構成する第一の固体高分子電解質は、電極表面において、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜114を電気的に接続する役割を有しており、水素イオン伝導性や水移動性が良好であることが求められ、さらに、燃料極102においてはメタノール等の有機液体燃料透過性が求められ、酸化剤極108においては酸素透過性が求められる。第一の固体高分子電解質はこうした要求を満たすためのものであり、水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過性に優れる材料が好ましく用いられる。具体的には、スルフォン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルフォン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製)など);
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(登録商標)S膜(旭硝子社製)など);
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルフォン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体;
アクリルアミド−2−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とn−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体;
などが例示される。
また、極性基の結合する対象の高分子としては他に、
ポリベンズイミダゾール誘導体、ポリベンズオキサゾール誘導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリサイラミン誘導体、ポリジエチルアミノエチルポリスチレン等のアミン置換ポリスチレン、ジエチルアミノエチルポリメタクリレート等の窒素置換ポリアクリレート等の窒素または水酸基を有する樹脂;
シラノール含有ポリシロキサン、ヒドロキシエチルポリメチルアクリレートに代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂;
パラヒドロキシポリスチレンに代表される水酸基含有ポリスチレン樹脂;
などを用いることもできる。
これらのうち、イオン伝導性等の観点からは、スルフォン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製)など)、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(登録商標)S膜(旭硝子社製)など)などが好ましく用いられる。
The first solid polymer electrolyte constituting the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108 has a role of electrically connecting the carbon particles carrying the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 114 on the electrode surface, Good hydrogen ion conductivity and good water mobility are required. Further, the fuel electrode 102 is required to have an organic liquid fuel permeability such as methanol, and the oxidant electrode 108 is required to have an oxygen permeability. The first solid polymer electrolyte satisfies these requirements, and a material having excellent hydrogen ion conductivity and organic liquid fuel permeability such as methanol is preferably used. Specifically, an organic polymer having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group or a phosphate group or a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. As such organic polymers,
Sulfone group-containing perfluorocarbon (Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Corporation), etc.);
Carboxyl group-containing perfluorocarbon (such as Flemion (registered trademark) S film (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.));
Copolymers such as a polystyrene sulfonic acid copolymer, a polyvinyl sulfonic acid copolymer, a cross-linked alkyl sulfonic acid derivative, a fluorine-containing polymer composed of a fluororesin skeleton and sulfonic acid;
A copolymer obtained by copolymerizing acrylamides such as acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid and acrylates such as n-butyl methacrylate;
And the like.
In addition, as a polymer to be bonded to a polar group,
Resins having nitrogen or hydroxyl groups such as polybenzimidazole derivatives, polybenzoxazole derivatives, crosslinked polyethyleneimine, polysilamine derivatives, amine-substituted polystyrene such as polydiethylaminoethyl polystyrene, nitrogen-substituted polyacrylate such as diethylaminoethyl polymethacrylate;
Hydroxyl-containing polyacrylic resin represented by silanol-containing polysiloxane and hydroxyethyl polymethyl acrylate;
Hydroxyl-containing polystyrene resin represented by parahydroxy polystyrene;
Etc. can also be used.
Among these, from the viewpoint of ion conductivity and the like, sulfone group-containing perfluorocarbons (such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Aciplex (made by Asahi Kasei Corporation)) and carboxyl group-containing perfluorocarbons (Flemion (registered trademark)) S film (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) or the like is preferably used.

また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入してもよい。   In addition, a crosslinkable substituent, for example, a vinyl group, an epoxy group, an acryl group, a methacryl group, a cinnamoyl group, a methylol group, an azide group, or a naphthoquinonediazide group may be appropriately introduced into the above-described polymer. .

図1における接着層161を構成する第二の固体高分子電解質は、電極表面と固体高分子電解質膜114との密着性を改良する役割を果たすものであり、固体高分子電解質膜114に対する密着性の良好な材料を用いることが好ましい。たとえば、固体高分子電解質膜114を有機高分子で構成した場合、第二の固体高分子電解質として、当該有機高分子と類似の構造を有する高分子や、極性、濡れ性、SP値等の物性値が類似する高分子を選択することにより、電極と固体高分子電解質膜114の間の密着性を向上させることができる。たとえば、固体高分子電解質膜114材料としてフッ素を含まない高分子を用いた場合、第二の固体高分子電解質としてフッ素を含まない高分子を選択することが好ましい。また、固体高分子電解質膜114の材料として芳香族系高分子を用いた場合、第二の固体高分子電解質として芳香族系高分子を選択することが好ましい。また、接着層161は、架橋性の置換基を導入した高分子を溶融した状態で放射線を照射すること等により架橋したものにより構成することもできる。   The second solid polymer electrolyte constituting the adhesive layer 161 in FIG. 1 plays a role in improving the adhesion between the electrode surface and the solid polymer electrolyte membrane 114, and the adhesion to the solid polymer electrolyte membrane 114. It is preferable to use a material having good For example, when the solid polymer electrolyte membrane 114 is composed of an organic polymer, as the second solid polymer electrolyte, a polymer having a structure similar to the organic polymer or physical properties such as polarity, wettability, and SP value are used. By selecting polymers having similar values, the adhesion between the electrode and the solid polymer electrolyte membrane 114 can be improved. For example, when a polymer containing no fluorine is used as the material of the solid polymer electrolyte membrane 114, it is preferable to select a polymer containing no fluorine as the second solid polymer electrolyte. When an aromatic polymer is used as the material of the solid polymer electrolyte membrane 114, it is preferable to select an aromatic polymer as the second solid polymer electrolyte. In addition, the adhesive layer 161 may be formed of a material cross-linked by irradiating radiation in a state in which a polymer having a crosslinkable substituent introduced therein is melted.

ここで、クロスオーバー抑制の観点からは、固体高分子電解質膜114および第二の固体高分子電解質を、いずれも、有機液体燃料の透過性の低い材料を用いることが好ましい。たとえば、スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族縮合系高分子により構成することが好ましい。また、固体高分子電解質膜114および第二の固体高分子電解質は、たとえばメタノールによる膨潤性が50%以下、より望ましくは20%以下(70vol%MeOH水溶液に対する膨潤性)とするのがよい。こうすることにより、特に良好な界面密着性およびプロトン伝導性が得られる。   Here, from the viewpoint of suppressing crossover, it is preferable that both the solid polymer electrolyte membrane 114 and the second solid polymer electrolyte are made of a material having low permeability to organic liquid fuel. For example, it is preferable to use an aromatic condensed polymer such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole. The solid polymer electrolyte membrane 114 and the second solid polymer electrolyte may have a swelling property of, for example, 50% or less, more preferably 20% or less (swelling property in a 70 vol% MeOH aqueous solution) with methanol. By doing so, particularly good interfacial adhesion and proton conductivity are obtained.

なお、燃料極102および酸化剤極108における第一の固体高分子電解質は、同一のものであっても異なるものであってもよい。   The first solid polymer electrolyte in the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be the same or different.

本実施形態に係る燃料電池の燃料としては、液体有機燃料や水素含有ガスを用いることができる。このうち、液体有機燃料を用いる構成とした場合、液体燃料のクロスオーバーを抑制しつつ電池効率の向上を図ることができ、本発明の効果がより顕著に発揮される。   As the fuel of the fuel cell according to the present embodiment, a liquid organic fuel or a hydrogen-containing gas can be used. Among them, when the liquid organic fuel is used, the cell efficiency can be improved while suppressing the crossover of the liquid fuel, and the effect of the present invention is more remarkably exhibited.

本実施形態における電極−電解質接合体101の作製方法は特に制限がないが、たとえば以下のようにして作製することができる。   The method for producing the electrode-electrolyte joined body 101 in the present embodiment is not particularly limited, but can be produced, for example, as follows.

まず炭素粒子へ触媒を担持する。この工程は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。次に触媒を担持させた炭素粒子と上記第一の固体高分子電解質を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって触媒層106または触媒層112が形成された燃料極102および酸化剤極108を作製することができる。ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば0.001〜0.1μmとする。触媒粒子の粒径は、たとえば0.1nm〜100nmとする。炭素粒子と固体高分子電解質とは、たとえば、重量比で1:5〜40:1の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、1:2〜10:1程度とする。基体へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、約1μm〜2mmの厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用する第一の固体高分子電解質に応じた加熱温度および加熱時間で加熱して乾燥させる。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適宜に選択されるが、たとえば、加熱温度100℃〜250℃、加熱時間30秒間〜30分とすることができる。 First, a catalyst is supported on carbon particles. This step can be performed by a commonly used impregnation method. Then the catalyst carbon particles supporting the above-described first solid polymer electrolyte is dispersed in a solvent and, after a paste, the paste is applied to the substrate, the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 by dry form The fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108 thus manufactured can be manufactured. Here, the particle size of the carbon particles is, for example, 0.001 to 0.1 μm. The particle size of the catalyst particles, for example, shall be the 0.1 nm to 100 nm. The coal particles and solid polymer electrolyte, for example, a weight ratio of 1: 5-40: As used 1. The weight ratio between water and solute in the paste is, for example, about 1: 2 to 10: 1. There is no particular limitation on the method of applying the paste to the substrate. For example, methods such as brush coating, spray coating, and screen printing can be used. The paste is applied with a thickness of about 1 μm to 2 mm. After applying the paste, the paste is heated and dried at a heating temperature and a heating time according to the first solid polymer electrolyte to be used. The heating temperature and the heating time are appropriately selected depending on the material to be used. For example, the heating temperature may be 100 ° C. to 250 ° C., and the heating time may be 30 seconds to 30 minutes.

本発明における固体高分子電解質膜114は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。   The solid polymer electrolyte membrane 114 according to the present invention can be manufactured by employing an appropriate method depending on a material to be used. For example, it can be obtained by casting a liquid obtained by dissolving or dispersing an organic polymer material in a solvent on a releasable sheet of polytetrafluoroethylene or the like and drying it.

次いで、接着層161を形成する。接着層161は、第二の固体高分子電解質を溶解または分散させた塗布液を触媒層106または触媒層112の上、および/または固体高分子電解質膜114の表面に塗布・乾燥することにより形成することができる。塗布液を固体高分子電解質膜114上に塗布する場合、この工程を固体高分子電解質膜114の表面と裏面の両方について行う。この場合、たとえば、固体高分子電解質膜114の一方の面に上記塗布液を塗布した後、その面をポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シートでカバーし、固体高分子電解質膜114の他方の面に上記塗布液を塗布する方法を採用することができる。これにより、両面に接着層161が形成された固体高分子電解質膜114を得ることができる。   Next, an adhesive layer 161 is formed. The adhesive layer 161 is formed by applying and drying a coating solution in which the second solid polymer electrolyte is dissolved or dispersed on the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 and / or the surface of the solid polymer electrolyte membrane 114. can do. When the application liquid is applied on the solid polymer electrolyte membrane 114, this step is performed on both the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 114. In this case, for example, after applying the coating solution on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 114, the surface is covered with a peelable sheet such as polytetrafluoroethylene, and the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 114 is covered. The method of applying the above-mentioned coating solution to the above can be adopted. Thereby, the solid polymer electrolyte membrane 114 having the adhesive layers 161 formed on both surfaces can be obtained.

本実施形態では、接着層161は、固体高分子電解質膜114と燃料極102との間および固体高分子電解質膜114と酸化剤極108との間の両方の領域に設けられているが、いずれか一方に設けた構成としてもよい。また、接着層161は、これらの領域に全面にわたって形成される必要はなく、上記領域に一部に形成されていればよい。たとえば接着層161が島状に形成されていてもよい。接着層161の厚みは、たとえば0.1μm〜20μmの範囲から適宜選択される。   In the present embodiment, the adhesive layer 161 is provided in both regions between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the fuel electrode 102 and between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the oxidant electrode 108. Alternatively, it may be provided on one side. In addition, the adhesive layer 161 does not need to be formed over the entire surface in these regions, but may be formed only partially in the above regions. For example, the adhesive layer 161 may be formed in an island shape. The thickness of the adhesive layer 161 is appropriately selected, for example, from the range of 0.1 μm to 20 μm.

以上のようにして作製した固体高分子電解質膜114を、燃料極102および酸化剤極108で挟み、ホットプレスし、電極−電解質接合体101を得る。このとき、両電極の触媒が設けられた面と固体高分子電解質膜114とが接着層161を挟んで対向するようにする。ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、たとえば、第一の固体高分子電解質や第二の固体高分子電解質の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とする。具体的には、たとえば、温度100〜250℃、圧力5〜100kgf/cm、時間10秒〜300秒とする。 The solid polymer electrolyte membrane 114 manufactured as described above is sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and hot pressed to obtain the electrode-electrolyte assembly 101. At this time, the surfaces of both electrodes where the catalyst is provided and the solid polymer electrolyte membrane 114 are opposed to each other with the adhesive layer 161 interposed therebetween. The conditions of the hot pressing are selected according to the material, and are set, for example, to a temperature exceeding the softening temperature or the glass transition temperature of the first solid polymer electrolyte or the second solid polymer electrolyte. Specifically, for example, the temperature is 100 to 250 ° C., the pressure is 5 to 100 kgf / cm 2 , and the time is 10 seconds to 300 seconds.

図2において、接着層161を構成する第二の固体高分子電解質は、固体高分子電解質膜114の材料と共通または類似するため、電極と固体高分子電解質膜114との界面が強固に密着する。この結果、界面の剥離により水素イオンの移動が阻害され電池性能が劣化することを抑制できるほか、電池の物理的強度が増し、耐久性が向上する。   In FIG. 2, since the second solid polymer electrolyte constituting the adhesive layer 161 is common or similar to the material of the solid polymer electrolyte membrane 114, the interface between the electrode and the solid polymer electrolyte membrane 114 is firmly adhered. . As a result, it is possible to prevent the transfer of hydrogen ions from being hindered due to the separation of the interface and to suppress the deterioration of the battery performance. In addition, the physical strength of the battery is increased and the durability is improved.

次に、本発明における第一および第二の固体高分子電解質の好ましい態様について説明する。   Next, preferred embodiments of the first and second solid polymer electrolytes in the present invention will be described.

クロスオーバーを効果的に抑制する観点からは、第一および第二の固体高分子電解質を、以下のように選択することが有効である。
(i)第二の固体高分子電解質として、第一の固体高分子電解質よりもメタノール透過性の低い材料を選択する。
(ii)第二の固体高分子電解質として、第一の固体高分子電解質よりも含水率の低い材料を選択する。
(iii)第二の固体高分子電解質として、第一の固体高分子電解質より極性基の含有密度の低い材料を選択する。
(iv)第二の固体高分子電解質として、第一の固体高分子電解質よりもフッ素含有率の低い材料を選択する。
From the viewpoint of effectively suppressing crossover, it is effective to select the first and second solid polymer electrolytes as follows.
(I) A material having a lower methanol permeability than the first solid polymer electrolyte is selected as the second solid polymer electrolyte.
(Ii) As the second solid polymer electrolyte, a material having a lower water content than the first solid polymer electrolyte is selected.
(Iii) A material having a lower polar group content density than the first solid polymer electrolyte is selected as the second solid polymer electrolyte.
(Iv) As the second solid polymer electrolyte, a material having a lower fluorine content than the first solid polymer electrolyte is selected.

こうした手法を採用することにより、固体高分子電解質膜114中の有機液体燃料の透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池性能の低下を抑えることができる。以下、上記(i)〜(iv)に示した物性の測定方法について説明する。   By adopting such a method, it is possible to suppress the permeation of the organic liquid fuel in the solid polymer electrolyte membrane 114, and it is possible to suppress a decrease in battery performance due to crossover. Hereinafter, methods for measuring the physical properties shown in the above (i) to (iv) will be described.

メタノール透過性は、以下のように測定することができる。被測定電解質膜(膜厚50μm、面積1cm)で隔てられた液体容器に、片側に99.5%メタノールを50cc、反対側に純水50ccを注入し、それぞれの液体が蒸発しないように密閉する。純水中に被測定電解質膜を透過してくるメタノールの濃度の時間変化をガスクロマトグラフで測定してメタノール透過量を決める。上記(i)の構成を採用した場合、第二の固体高分子電解質は、厚さ50μmの膜としたときの単位面積、単位時間あたりのメタノール透過量が300μmol/cm/h以下とすることが好ましい。このような材料を選択することにより、メタノールが酸化剤へ到達することを抑制することができ、上記のクロスオーバーの課題を克服することできる。 Methanol permeability can be measured as follows. Into a liquid container separated by an electrolyte membrane to be measured (thickness: 50 μm, area: 1 cm 2 ), inject 50 cc of 99.5% methanol on one side and 50 cc of pure water on the other side, and seal each liquid not to evaporate. I do. The change over time of the concentration of methanol permeating the measured electrolyte membrane into pure water is measured by gas chromatography to determine the amount of methanol permeated. In the case of adopting the configuration of the above (i), the second solid polymer electrolyte should have a permeation amount of methanol of 300 μmol / cm 2 / h or less per unit area and per unit time when the membrane has a thickness of 50 μm. Is preferred. By selecting such a material, methanol can be prevented from reaching the oxidizing agent, and the above-described problem of crossover can be overcome.

含水率は、100℃で2時間乾燥した被験材料の重量をA、純水に24時間浸漬した後の当該被験材料の重量をBとしたときの(B−A)/Aで表される値である。   The water content is a value represented by (B−A) / A, where A is the weight of the test material dried at 100 ° C. for 2 hours, and B is the weight of the test material after immersion in pure water for 24 hours. It is.

極性基の含有密度は、官能基の種類に応じ、所定の方法を用いて測定することができる。スルフォン基の場合、たとえば、酸素燃焼フラスコ法等によりスルフォン基を硫酸イオンに変換した後、イオンクロマトグラフィーまたは滴定で定量することができる。滴定はカルボキシアルセナゾを指示薬とし、0.01M過塩素酸バリウムで滴定し、青から紫の変色点を求める。   The content density of the polar group can be measured using a predetermined method according to the type of the functional group. In the case of a sulfone group, for example, after the sulfone group is converted into a sulfate ion by an oxygen combustion flask method or the like, it can be determined by ion chromatography or titration. Titration is performed using carboxyarsenazo as an indicator, and titration is performed with 0.01 M barium perchlorate to determine a color change point from blue to purple.

フッ素含有率は、蛍光X線分析等により定量することができる。   The fluorine content can be quantified by fluorescent X-ray analysis or the like.

(第二の実施形態)
本実施形態において、接着層161にも触媒および触媒を担持させた炭素粒子が含まれる点で第一の実施形態と異なる。
(Second embodiment)
The present embodiment is different from the first embodiment in that the adhesive layer 161 also contains a catalyst and carbon particles carrying the catalyst.

本実施形態における電極−電解質接合体101の作製方法もとくに制限がないが、たとえば以下のようにして作製することができる。   The method for producing the electrode-electrolyte assembly 101 in the present embodiment is not particularly limited, but can be produced, for example, as follows.

触媒層106または触媒層112は、第一の実施形態と同様に作製することができる。接着層161は、第二の固体高分子電解質および触媒を担持させた炭素粒子を溶媒に分散させ、ペースト状とした塗布液を触媒層106または触媒層112の上、および/または固体高分子電解質膜114の表面に塗布・乾燥することにより形成することができる。塗布液中の炭素粒子と固体高分子電解質とは、たとえば、重量比で1:5〜40:1の範囲で用いられる。これにより、触媒を担持させた炭素粒子を含む接着層161を作製することができる。また、接着層161において、触媒を担持させた炭素粒子の含有率は、触媒層106または触媒層112と接する面から固体高分子電解質膜114と接する面の方向に沿って分布を有していてもよい。たとえば、接着層161の触媒層106または触媒層112と接する面において炭素粒子を含み、固体高分子電解質膜114と接する面において炭素粒子を含まないように構成することができる。 The catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 can be manufactured in the same manner as in the first embodiment. The adhesive layer 161 is formed by dispersing a second solid polymer electrolyte and a carbon particle supporting a catalyst in a solvent, and forming a paste-like coating solution on the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 and / or the solid polymer electrolyte. It can be formed by applying and drying the surface of the film 114. The carbon particles and the solid polymer electrolyte in the coating liquid, for example, a weight ratio of 1: 5-40: As used 1. Thereby, the adhesive layer 161 including the carbon particles supporting the catalyst can be manufactured. Further, in the adhesive layer 161, the content of the carbon particles supporting the catalyst has a distribution along the direction from the surface in contact with the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 114. Is also good. For example, the surface of the adhesive layer 161 that contacts the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 may include carbon particles, and the surface that contacts the solid polymer electrolyte membrane 114 may not include the carbon particles.

本実施形態において、接着層161にも触媒を担持させた炭素粒子が含まれるので、接着層においても電子の導電性を良好にすることができる。   In this embodiment, since the adhesive layer 161 also contains the carbon particles carrying the catalyst, the electron conductivity of the adhesive layer can be improved.

(第三の実施形態)
本実施形態において、接着層161が第二の固体高分子電解質に加えて、第一の固体高分子電解質をも含む点で第一および第二の実施形態と異なる。こうすることにより、接着層161と触媒層106または触媒層112との密着性がより顕著に改善される。この場合、接着層161中の第二の固体高分子電解質/第一の固体高分子電解質の重量比を、好ましくは10/1〜1/10、より好ましくは4/1〜1/4とすることができる。また、本実施の形態においても、第二の実施形態と同様、接着層161は、触媒を担持させた炭素粒子を含んでもよい。
(Third embodiment)
This embodiment is different from the first and second embodiments in that the adhesive layer 161 includes the first solid polymer electrolyte in addition to the second solid polymer electrolyte. By doing so, the adhesion between the adhesive layer 161 and the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 is more significantly improved. In this case, the weight ratio of the second solid polymer electrolyte to the first solid polymer electrolyte in the adhesive layer 161 is preferably 10/1 to 1/10, more preferably 4/1 to 1/4. be able to. Also, in the present embodiment, similarly to the second embodiment, the adhesive layer 161 may include carbon particles supporting a catalyst.

接着層161中において、第一および第二の固体高分子電解質は、均一に分布していても不均一に分布していてもよい。第一および第二の固体高分子電解質を不均一に分布させる場合、接着層161の触媒層106または触媒層112と接する面における第一の固体高分子電解質の含有率が、接着層161の固体高分子電解質膜114と接する面における第二の固体高分子電解質の含有率よりも高くなるように構成することができる。本実施の形態において、接着層161および触媒層106は第一の固体高分子電解質を含有し、固体高分子電解質膜114は第二の固体高分子電解質を含有するため、このようにすれば、接着層161と触媒層106または触媒層112との密着性を高めることができるとともに、接着層161と固体高分子電解質膜114との密着性を高めることもできる。本実施の形態においても、接着層161は、架橋性の置換基を導入した高分子を溶融した状態で放射線を照射すること等により架橋したものにより構成することもできる。   In the adhesive layer 161, the first and second solid polymer electrolytes may be uniformly or non-uniformly distributed. When the first and second solid polymer electrolytes are unevenly distributed, the content of the first solid polymer electrolyte on the surface of the adhesive layer 161 in contact with the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 is determined by the solid content of the adhesive layer 161. It can be configured to be higher than the content of the second solid polymer electrolyte on the surface in contact with the polymer electrolyte membrane 114. In this embodiment, the adhesive layer 161 and the catalyst layer 106 contain the first solid polymer electrolyte, and the solid polymer electrolyte membrane 114 contains the second solid polymer electrolyte. The adhesiveness between the adhesive layer 161 and the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 can be improved, and the adhesiveness between the adhesive layer 161 and the solid polymer electrolyte membrane 114 can also be increased. Also in the present embodiment, the adhesive layer 161 can be made of a material cross-linked by irradiating radiation in a state in which a polymer having a crosslinkable substituent introduced therein is melted.

図4は、本実施形態における接着層161の一例を詳細に示す断面図である。ここで、接着層161は、複数の接着層161a、161b、161c、161d、161eにより構成することができる。接着層161aは触媒層106または触媒層112と接する層、接着層161eは固体高分子電解質膜114と接する層である。このような構成において、各接着層161a〜161eは、第一の固体高分子電解質および第二の固体高分子電解質の両方、または少なくともいずれか一方を含む。接着層161a〜161eは、第二の固体高分子電解質の第一の固体高分子電解質に対する含有率が、接着層161e、接着層161d、接着層161c、接着層161b、接着層161aの順で高くなるように構成される。接着層161aは、第二の固体高分子電解質を含まない構成とすることもできる。また、接着層161eは第一の固体高分子電解質を含まない構成とすることもできる。   FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of the adhesive layer 161 in the present embodiment in detail. Here, the adhesive layer 161 can be composed of a plurality of adhesive layers 161a, 161b, 161c, 161d, and 161e. The adhesive layer 161a is a layer in contact with the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112, and the adhesive layer 161e is a layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane 114. In such a configuration, each of the adhesive layers 161a to 161e includes both or at least one of the first solid polymer electrolyte and the second solid polymer electrolyte. In the adhesive layers 161a to 161e, the content ratio of the second solid polymer electrolyte to the first solid polymer electrolyte is higher in the order of the adhesive layer 161e, the adhesive layer 161d, the adhesive layer 161c, the adhesive layer 161b, and the adhesive layer 161a. It is configured to be. The adhesive layer 161a may be configured not to include the second solid polymer electrolyte. Further, the adhesive layer 161e may be configured not to include the first solid polymer electrolyte.

本実施形態における電極−電解質接合体101の作製方法もとくに制限がないが、たとえば以下のようにして作製することができる。
触媒層106または触媒層112は、第一の実施形態と同様に作製することができる。接着層161において、第一および第二の固体高分子電解質を均一に分布させる場合、第一および第二の固体高分子電解質を溶媒に分散させ、ペースト状とした塗布液を触媒層106または触媒層112の上、および/または固体高分子電解質膜114の表面に塗布・乾燥することにより接着層161を形成することができる。塗布液に触媒を担持させた炭素粒子を含めてもよい。
The method for producing the electrode-electrolyte assembly 101 in the present embodiment is not particularly limited, but can be produced, for example, as follows.
The catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 can be manufactured in the same manner as in the first embodiment. When the first and second solid polymer electrolytes are uniformly distributed in the adhesive layer 161, the first and second solid polymer electrolytes are dispersed in a solvent, and the paste-like coating liquid is applied to the catalyst layer 106 or the catalyst. The adhesive layer 161 can be formed by applying and drying the layer 112 and / or the surface of the polymer electrolyte membrane 114. The coating liquid may include carbon particles supporting a catalyst.

接着層161において、図4を参照して説明したように、第二の固体高分子電解質の第一の固体高分子電解質の含有率を異ならせる場合、接着層161は、以下のようにして作製することができる。以下、図4を参照して説明する。   As described with reference to FIG. 4, when the content of the first solid polymer electrolyte in the second solid polymer electrolyte is changed in the adhesive layer 161, the adhesive layer 161 is formed as follows. can do. Hereinafter, description will be made with reference to FIG.

塗布液を固体高分子電解質膜114上に塗布する場合、少なくとも第二の固体高分子電解質を含む塗布液eを固体高分子電解質膜114上に塗布・乾燥させて接着層161eを形成する。つづいて、塗布液eよりも第一の固体高分子電解質の含有率が高くなるようにして第一および第二の固体高分子電解質を溶媒に分散させ、ペースト状とした塗布液dを接着層161e上に塗布・乾燥させて接着層161dを形成する。徐々に第一の固体高分子電解質の含有率が高くなるようにした塗布液を塗布・乾燥させる工程を繰り返すことにより、固体高分子電解質膜114から遠い領域ほど第一の固体高分子電解質の含有率が高くなるように構成された接着層161を形成することができる。このようにして形成した接着層161を含む固体高分子電解質膜114を燃料極102および酸化剤極108で挟み、ホットプレスすることにより、電極−電解質接合体101を得ることができる。 When the application liquid is applied onto the solid polymer electrolyte membrane 114 , an application liquid e containing at least a second solid polymer electrolyte is applied onto the solid polymer electrolyte membrane 114 and dried to form an adhesive layer 161e. Subsequently, the first and second solid polymer electrolytes are dispersed in a solvent so that the content of the first solid polymer electrolyte is higher than that of the coating liquid e, and the paste-like coating liquid d is formed into an adhesive layer. The adhesive layer 161d is formed by coating and drying on the 161e. By repeating the process of applying and drying a coating solution in which the content of the first solid polymer electrolyte is gradually increased, the content of the first solid polymer electrolyte is increased in a region farther from the solid polymer electrolyte membrane 114. An adhesive layer 161 configured to have a high rate can be formed. The thus-formed solid polymer electrolyte membrane 114 including the adhesive layer 161 is sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and hot-pressed, whereby the electrode-electrolyte assembly 101 can be obtained.

塗布液を触媒層106または触媒層112の上に塗布する場合、少なくとも第一の固体高分子電解質を含む塗布液aを触媒層106または触媒層112の上に塗布・乾燥させて接着層161aを形成する。つづいて、塗布液aよりも第二の固体高分子電解質の含有率が高くなるようにして第一および第二の固体高分子電解質を溶媒に分散させ、ペースト状とした塗布液bを接着層161a上に塗布・乾燥させて接着層161bを形成する。徐々に第二の固体高分子電解質の含有率が高くなるようにした塗布液を塗布・乾燥させる工程を繰り返すことにより、触媒層106または触媒層112から遠い領域ほど第二の固体高分子電解質の含有率が高くなるように構成された接着層161を形成することができる。このようにして形成した接着層161を含む燃料極102および酸化剤極108で固体高分子電解質膜114を挟み、ホットプレスすることにより、電極−電解質接合体101を得ることができる。 When the coating solution is applied on the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112, a coating solution a containing at least the first solid polymer electrolyte is applied on the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 and dried to form an adhesive layer 161a. To form Subsequently, the first and second solid polymer electrolytes are dispersed in a solvent so that the content of the second solid polymer electrolyte is higher than that of the coating solution a, and the paste-like coating solution b is formed into an adhesive layer. The adhesive layer 161b is formed by applying and drying on the 161a. By repeating the step of applying and drying the coating liquid in which the content of the second solid polymer electrolyte is gradually increased, the area of the second solid polymer electrolyte becomes more distant from the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112. An adhesive layer 161 configured to have a high content can be formed. The electrode-electrolyte assembly 101 can be obtained by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 114 between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 including the adhesive layer 161 thus formed, and hot pressing.

また、固体高分子電解質膜114上、および触媒層106または触媒層112上にそれぞれ上記のように接着層161を形成した後、燃料極102および酸化剤極108で固体高分子電解質膜114を挟み、ホットプレスすることにより、電極−電解質接合体101を得ることもできる。   After the adhesive layer 161 is formed on the solid polymer electrolyte membrane 114 and the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112 as described above, the solid polymer electrolyte membrane 114 is sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108. By hot pressing, the electrode-electrolyte assembly 101 can also be obtained.

塗布液を塗布する対象は、固体高分子電解質膜114、および触媒層106または触媒層112の両方またはいずれか一方とすることもできるが、塗布液が第一および第二の固体高分子電解質を含む場合、固体高分子電解質膜114に塗布することが好ましい。カーボンペーパー等の基体は表面が凹凸形状を有するのに対し、固体高分子電解質膜114は比較的平坦な面を有しており、このような平坦な面に塗布液を塗布する方が接着性能が向上するからである。   The object to which the coating solution is applied may be the solid polymer electrolyte membrane 114 and / or the catalyst layer 106 or the catalyst layer 112, but the coating solution may be the first and second solid polymer electrolytes. If it is included, it is preferable to apply it to the solid polymer electrolyte membrane 114. A substrate such as carbon paper has an uneven surface, whereas the solid polymer electrolyte membrane 114 has a relatively flat surface. Is improved.

以下に本発明の固体高分子型燃料電池用電極及びそれを用いた燃料電池について実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。   Hereinafter, the electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention and a fuel cell using the same will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
本実施例では、第一の固体高分子電解質としてナフィオンを使用し、第二の固体高分子電解質としてスルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)(以下、PPBPという)を使用した。第一の固体高分子電解質は電極表面の触媒層の一部を構成し、第二の固体高分子電解質は、電極表面の触媒層の一部および固体高分子電解質膜を構成する。本実施例においては、燃料極、酸化剤極ともに貴金属触媒として白金を用いた。
(Example 1)
In this example, Nafion was used as the first solid polymer electrolyte, and sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) (hereinafter referred to as PPBP) was used as the second solid polymer electrolyte. . The first solid polymer electrolyte forms part of the catalyst layer on the electrode surface, and the second solid polymer electrolyte forms part of the catalyst layer on the electrode surface and the solid polymer electrolyte membrane. In this embodiment, platinum was used as a noble metal catalyst for both the fuel electrode and the oxidant electrode.

本実施例に係る燃料電池の作製方法について図2を参照して説明する。   A method for manufacturing the fuel cell according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

まず燃料極102および酸化剤極108において触媒となる白金を3%含有するジニトロジアミン白金硝酸溶液500gにアセチレンブラック10g(デンカブラック(登録商標);電気化学工業社製)を混合させて撹拌後、還元剤として98%エタノール60mlを添加した。この溶液を約95℃で8時間攪拌混合し、触媒をアセチレンブラック粒子に担持させた。そして、この溶液をろ過、乾燥して触媒担持炭素粒子を得た。白金の担持量はアセチレンブラックの重量に対し50%程度であった。   First, 10 g of acetylene black (Denka Black (registered trademark); manufactured by Denki Kagaku Kogyo) is mixed with 500 g of a dinitrodiamine platinum nitrate solution containing 3% of platinum serving as a catalyst in the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108, and the mixture is stirred. 60 ml of 98% ethanol was added as a reducing agent. This solution was stirred and mixed at about 95 ° C. for 8 hours to support the catalyst on the acetylene black particles. Then, this solution was filtered and dried to obtain catalyst-carrying carbon particles. The supported amount of platinum was about 50% based on the weight of acetylene black.

上記の触媒担持炭素粒子200mgと5%ナフィオン溶液(アルコール溶液、アルドリッチ・ケミカル社製)3.5mlを混合することにより、これらの触媒及び炭素粒子の表面にナフィオンを吸着させた。こうして得られた分散液を50℃にて3時間超音波分散器で分散することによりペースト状とし、ペーストAを得た。このペーストAを、カーボンペーパー(東レ社製:TGP−H−120)からなる基体にスクリーン印刷法で塗布した後、100℃にて加熱乾燥して燃料極102および酸化剤極108を得た。得られた電極表面の白金量は0.1〜0.4mg/cmとなった。 By mixing 200 mg of the above-described catalyst-supporting carbon particles and 3.5 ml of a 5% Nafion solution (alcohol solution, manufactured by Aldrich Chemical Co., Ltd.), Nafion was adsorbed on the surfaces of these catalysts and carbon particles. The dispersion thus obtained was dispersed in an ultrasonic disperser at 50 ° C. for 3 hours to obtain a paste, and paste A was obtained. This paste A was applied to a base made of carbon paper (TGP-H-120, manufactured by Toray Industries, Inc.) by a screen printing method, and then heated and dried at 100 ° C. to obtain a fuel electrode 102 and an oxidizer electrode 108. The platinum amount on the obtained electrode surface was 0.1 to 0.4 mg / cm 2 .

次に、微粉末化したPPBP10gを95%硫酸100mlに懸濁させ、200時間撹拌することによりスルフォン化処理を行った。こうして得られたPPBPを、十分な蒸留水で洗浄し、乾燥・粉砕し、これをジメチルホルムアミド溶液に溶解させた。これを溶液Aとする。   Next, a sulfonation treatment was performed by suspending 10 g of the finely powdered PPBP in 100 ml of 95% sulfuric acid and stirring for 200 hours. The PPBP thus obtained was washed with sufficient distilled water, dried and pulverized, and dissolved in a dimethylformamide solution. This is called solution A.

この溶液Aをテフロン(登録商標)シート上にキャストした後、乾燥し、大きさ10cm×10cm、厚さ30μmの固体高分子電解質膜114を得た。   The solution A was cast on a Teflon (registered trademark) sheet and then dried to obtain a solid polymer electrolyte membrane 114 having a size of 10 cm × 10 cm and a thickness of 30 μm.

一方、上記溶液Aを燃料極102および酸化剤極108の表面に塗布した。塗布方法は、刷毛塗り法とした。塗布後、乾燥を行い、各電極の表面に接着層161を形成した。   On the other hand, the solution A was applied to the surfaces of the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108. The coating method was a brush coating method. After the application, the coating was dried to form an adhesive layer 161 on the surface of each electrode.

これらの電極で固体高分子電解質膜114を挟み、温度150℃、圧力10kgf/cm10秒間の条件でホットプレスすることにより電極−電解質接合体を作製した。さらに、この電極−電解質接合体を燃料電池の単セル測定用装置にセットして単セルを作製した。 An electrode-electrolyte assembly was produced by hot-pressing the solid polymer electrolyte membrane 114 between these electrodes under the conditions of a temperature of 150 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 for 10 seconds. Further, this electrode-electrolyte assembly was set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell to produce a single cell.

この単セルに、10wt%メタノール水溶液および酸素(1.1気圧、25℃)を燃料としてセルの電流電圧特性を測定した。その結果、開放電圧0.54V、短絡電流0.18A/cmが持続的に観測された。 The current-voltage characteristics of this single cell were measured using a 10 wt% methanol aqueous solution and oxygen (1.1 atm, 25 ° C.) as fuel. As a result, an open circuit voltage of 0.54 V and a short circuit current of 0.18 A / cm 2 were continuously observed.

上記電極は、上記固体高分子電解質膜に対する良好な接合性を示しており、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール燃料電池として有効に機能することが確認された。   The above-mentioned electrode showed good bonding property to the above-mentioned solid polymer electrolyte membrane, and it was confirmed that the above-mentioned electrode effectively functions as a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel.

図3は本実施例の燃料電池の燃料極102と固体高分子電解質膜114、およびこれらの間に介在する接着層161を模式的に示した図である。図示したように、本実施例の燃料極102の触媒層はナフィオンからなる第一の固体高分子電解質150と、触媒(不図示)を担持した炭素粒子140からなっている。接着層161はPPBPからなる第二の固体高分子電解質160を主成分としている。固体高分子電解質膜114はPPBPからなっている。接着層161および固体高分子電解質膜114は、いずれもPPBPを含むため、両者の間の密着性は良好である。一方、ナフィオンおよびPPBPが絡み合うように結合することから、接着層161および燃料極102の間の密着性も良好である。以上のことから、接着層161が固体高分子電解質膜114と燃料極102と間のバインダの役目を果たし、固体高分子電解質膜114と燃料極102との接合性が良好となり、この結果、本実施例における燃料電池の良好な動作に寄与しているものと考えられる。 FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the fuel electrode 102 and the solid polymer electrolyte membrane 114 of the fuel cell of the present embodiment, and the adhesive layer 161 interposed therebetween. As shown, the catalyst layer of the fuel electrode 102 of the present embodiment includes a first solid polymer electrolyte 150 made of Nafion and carbon particles 140 carrying a catalyst (not shown). The adhesive layer 161 has a second solid polymer electrolyte 160 made of PPBP as a main component. The solid polymer electrolyte membrane 114 is made of PPBP. Since both the adhesive layer 161 and the solid polymer electrolyte membrane 114 contain PPBP, the adhesion between them is good. On the other hand, since Nafion and PPBP are entangled with each other, adhesion between the adhesive layer 161 and the fuel electrode 102 is also good. From the above, the adhesive layer 161 functions as a binder between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the fuel electrode 102, and the bondability between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the fuel electrode 102 is improved. It is considered that this contributes to good operation of the fuel cell in the embodiment.

ここで、PPBPおよびナフィオンのメタノール透過率および含水率の値を表1に示す。   Here, Table 1 shows the values of the methanol permeability and the water content of PPBP and Nafion.

Figure 2004253399
Figure 2004253399

本実施例においては、固体高分子電解質膜114および第二の固体高分子電解質160として、第一の固体高分子電解質150よりもメタノール透過性および含水率の低い材料を選択していることから、固体高分子電解質膜114中のメタノール透過が抑制されている。このことからクロスオーバーによる電池性能の低下が抑制され、良好な電池特性を有する燃料電池が得られたと考えられる。   In the present embodiment, a material having a lower methanol permeability and a lower moisture content than the first solid polymer electrolyte 150 is selected as the solid polymer electrolyte membrane 114 and the second solid polymer electrolyte 160. Methanol permeation in the solid polymer electrolyte membrane 114 is suppressed. This suggests that a decrease in cell performance due to crossover was suppressed, and a fuel cell having good cell characteristics was obtained.

(実施例2)
本実施例でも、第一の固体高分子電解質としてナフィオンを使用し、第二の固体高分子電解質としてPPBPを使用した。本実施例でも、触媒としては、燃料極、酸化剤極ともに白金を用いた。
(Example 2)
Also in this example, Nafion was used as the first solid polymer electrolyte, and PPBP was used as the second solid polymer electrolyte. Also in this example, platinum was used as the catalyst for both the fuel electrode and the oxidant electrode.

燃料極102、酸化剤極108、および固体高分子電解質膜114は実施例1と同様に作製した。実施例1と同様にして得たPPBPおよび触媒担持炭素粒子をジメチルホルミアミド溶液に溶解させ、ペーストBを得た。ペーストBを刷毛塗り法で燃料極102および酸化剤極108の表面に塗布し、塗布後、乾燥を行い、各電極の表面に接着層161を形成した。   The fuel electrode 102, the oxidizer electrode 108, and the solid polymer electrolyte membrane 114 were produced in the same manner as in Example 1. The PPBP and the catalyst-supporting carbon particles obtained in the same manner as in Example 1 were dissolved in a dimethylformamide solution to obtain a paste B. The paste B was applied on the surfaces of the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 by a brush coating method, and dried after application to form an adhesive layer 161 on the surface of each electrode.

これらの電極で固体高分子電解質膜114を挟み、温度150℃、圧力10kgf/cm10秒間の条件でホットプレスすることにより電極−電解質接合体を作製した。さらに、この電極−電解質接合体を燃料電池の単セル測定用装置にセットして単セルを作製した。 An electrode-electrolyte assembly was produced by hot-pressing the solid polymer electrolyte membrane 114 between these electrodes under the conditions of a temperature of 150 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 for 10 seconds. Further, this electrode-electrolyte assembly was set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell to produce a single cell.

この単セルに、10wt%メタノール水溶液および酸素(1.1気圧、25℃)を燃料としてセルの電流電圧特性を測定した。その結果、開放電圧0.54V、短絡電流0.19A/cmが持続的に観測された。 The current-voltage characteristics of the single cell were measured using a 10 wt% methanol aqueous solution and oxygen (1.1 atm, 25 ° C.) as fuel. As a result, an open circuit voltage of 0.54 V and a short circuit current of 0.19 A / cm 2 were continuously observed.

図5は本実施例の燃料電池の燃料極102と固体高分子電解質膜114、およびこれらの間に介在する接着層161を模式的に示した図である。図示したように、接着層161はPPBPおよび炭素粒子140を含む。接着層161および固体高分子電解質膜114は、いずれもPPBPを含むため、両者の間の密着性は良好である。一方、ナフィオンおよびPPBPが絡み合うように結合することから、接着層161および燃料極102の間の密着性も良好である。また、ここで、接着層161にも導電性の炭素粒子140が含まれるため、接着層の電子の伝導性を良好にすることができる。以上のことから、接着層161の存在により固体高分子電解質膜114と燃料極102との接合性が良好となり、また接着層においても有機液体燃料を消費することができ、接着層の電子の伝導性を良好にすることができるため、本実施例における燃料電池の良好な動作に寄与しているものと考えられる。 FIG. 5 is a diagram schematically showing the fuel electrode 102 and the solid polymer electrolyte membrane 114 of the fuel cell of the present embodiment, and the adhesive layer 161 interposed therebetween. As shown, the adhesive layer 161 includes PPBP and carbon particles 140. Since both the adhesive layer 161 and the solid polymer electrolyte membrane 114 contain PPBP, the adhesion between them is good. On the other hand, since Nafion and PPBP are entangled with each other, adhesion between the adhesive layer 161 and the fuel electrode 102 is also good. Here, since the conductive carbon particles 140 are also included in the adhesive layer 161, the electron conductivity of the adhesive layer can be improved. From the above, the bonding property between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the fuel electrode 102 is improved by the presence of the adhesive layer 161, and the organic liquid fuel can also be consumed in the adhesive layer. Therefore, it is considered that this contributes to good operation of the fuel cell in this embodiment.

(実施例3)
本実施例でも、第一の固体高分子電解質としてナフィオンを使用し、第二の固体高分子電解質としてPPBPを使用した。本実施例でも、触媒としては、燃料極、酸化剤極ともに白金を用いた。
(Example 3)
Also in this example, Nafion was used as the first solid polymer electrolyte, and PPBP was used as the second solid polymer electrolyte. Also in this example, platinum was used as the catalyst for both the fuel electrode and the oxidant electrode.

燃料極102、酸化剤極108、および固体高分子電解質膜114は実施例1と同様に作製した。実施例1と同様の方法で得られたPPBPの溶液Aを、実施例1と同様の方法で得られたナフィオンのペーストAに混合し、ペーストCおよびペーストDを得た。このとき、ペーストC中のナフィオンとPPBPとは、重量比で1:1である。また、ペーストD中のナフィオンとPPBPとは、重量比で4:1である。   The fuel electrode 102, the oxidizer electrode 108, and the solid polymer electrolyte membrane 114 were produced in the same manner as in Example 1. The PPBP solution A obtained by the same method as in Example 1 was mixed with the Nafion paste A obtained by the same method as in Example 1 to obtain a paste C and a paste D. At this time, the weight ratio of Nafion and PPBP in paste C is 1: 1. The weight ratio of Nafion and PPBP in paste D is 4: 1.

まず、ペーストCを刷毛塗り法で固体高分子電解質膜114の両面に塗布し、塗布後、乾燥させた。次いで、ペーストDを刷毛塗り法でペーストC上に塗布し、塗布後、乾燥させた。これにより、固体高分子電解質膜114の両面にペーストCおよびペーストDにより構成された接着層161を形成した。これを用いて、実施例1と同様にホットプレスすることにより、電極−電解質接合体を作製した。この電極−電解質接合体を燃料電池の単セル測定用装置にセットして単セルを作製した。   First, paste C was applied on both sides of solid polymer electrolyte membrane 114 by a brush coating method, and dried after application. Next, the paste D was applied on the paste C by a brush coating method, and dried after the application. As a result, an adhesive layer 161 composed of the paste C and the paste D was formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 114. Using this, hot pressing was performed in the same manner as in Example 1 to produce an electrode-electrolyte assembly. This electrode-electrolyte assembly was set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell to produce a single cell.

この単セルに、10wt%メタノール水溶液および酸素(1.1気圧、25℃)を燃料としてセルの電流電圧特性を測定した。その結果、開放電圧0.54V、短絡電流0.19A/cmが持続的に観測された。 The current-voltage characteristics of the single cell were measured using a 10 wt% methanol aqueous solution and oxygen (1.1 atm, 25 ° C.) as fuel. As a result, an open circuit voltage of 0.54 V and a short circuit current of 0.19 A / cm 2 were continuously observed.

図6は本実施例の燃料電池の燃料極102と固体高分子電解質膜114、およびこれらの間に介在する接着層161を模式的に示した図である。図示したように、接着層161は、固体高分子電解質膜114に近い領域では第二の固体高分子電解質160(PPBP)の含有率が高く、触媒層106に近い領域では第一の固体高分子電解質150(ナフィオン)の含有率が高くなるように構成される。接着層161の固体高分子電解質膜114に近い領域において、PPBPの含有率が高いため、両者の間の密着性は良好である。一方、接着層161の触媒層106に近い領域において、ナフィオンの含有率が高いため、接着層161および燃料極102の間の密着性も良好である。以上のことから、接着層161の存在により固体高分子電解質膜114と燃料極102との接合性が良好となり、本実施例における燃料電池の良好な動作に寄与しているものと考えられる。   FIG. 6 is a diagram schematically showing the fuel electrode 102 and the solid polymer electrolyte membrane 114 of the fuel cell of the present embodiment, and the adhesive layer 161 interposed therebetween. As illustrated, the adhesive layer 161 has a high content of the second solid polymer electrolyte 160 (PPBP) in a region near the solid polymer electrolyte membrane 114 and a first solid polymer polymer in a region near the catalyst layer 106. It is configured so that the content of the electrolyte 150 (Nafion) is high. Since the PPBP content is high in a region of the adhesive layer 161 near the solid polymer electrolyte membrane 114, the adhesion between the two is good. On the other hand, in a region of the adhesive layer 161 close to the catalyst layer 106, the content of Nafion is high, so that the adhesion between the adhesive layer 161 and the fuel electrode 102 is also good. From the above, it is considered that the presence of the adhesive layer 161 improves the bondability between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the fuel electrode 102, and contributes to the good operation of the fuel cell in this embodiment.

(実施例4)
本実施例でも、第一の固体高分子電解質としてナフィオンを使用し、第二の固体高分子電解質としてPPBPを使用した。本実施例でも、触媒としては、燃料極、酸化剤極ともに白金を用いた。
(Example 4)
Also in this example, Nafion was used as the first solid polymer electrolyte, and PPBP was used as the second solid polymer electrolyte. Also in this example, platinum was used as the catalyst for both the fuel electrode and the oxidant electrode.

燃料極102、酸化剤極108、および固体高分子電解質膜114は実施例1と同様に作製した。実施例3と同様のペーストCおよびペーストDにそれぞれ触媒担持炭素粒子200mgを加え、ペーストEおよびペーストFとした。   The fuel electrode 102, the oxidizer electrode 108, and the solid polymer electrolyte membrane 114 were produced in the same manner as in Example 1. 200 mg of catalyst-carrying carbon particles were added to the same paste C and paste D as in Example 3 to obtain paste E and paste F.

まず、ペーストEを刷毛塗り法で固体高分子電解質膜114の両面に塗布し、塗布後、乾燥させた。次いで、ペーストFを刷毛塗り法でペーストE上に塗布し、塗布後、乾燥させた。これにより、固体高分子電解質膜114の両面にペーストEおよびペーストFにより構成された接着層161を形成した。これを用いて、実施例1と同様にホットプレスすることにより、電極−電解質接合体を作製した。この電極−電解質接合体を燃料電池の単セル測定用装置にセットして単セルを作製した。   First, paste E was applied to both surfaces of solid polymer electrolyte membrane 114 by a brush coating method, and dried after application. Next, the paste F was applied on the paste E by a brush coating method, and dried after the application. Thus, an adhesive layer 161 composed of the paste E and the paste F was formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 114. Using this, hot pressing was performed in the same manner as in Example 1 to produce an electrode-electrolyte assembly. This electrode-electrolyte assembly was set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell to produce a single cell.

この単セルに、10wt%メタノール水溶液および酸素(1.1気圧、25℃)を燃料としてセルの電流電圧特性を測定した。その結果、開放電圧0.54V、短絡電流0.20A/cmが持続的に観測された。 The current-voltage characteristics of the single cell were measured using a 10 wt% methanol aqueous solution and oxygen (1.1 atm, 25 ° C.) as fuel. As a result, an open voltage of 0.54 V and a short circuit current of 0.20 A / cm 2 were continuously observed.

図7は本実施例の燃料電池の燃料極102と固体高分子電解質膜114、およびこれらの間に介在する接着層161を模式的に示した図である。図示したように、接着層161は、固体高分子電解質膜114に近い領域では第二の固体高分子電解質160(PPBP)の含有率が高く、触媒層106に近い領域では第一の固体高分子電解質150(ナフィオン)の含有率が高くなるように構成される。また、接着層161は、炭素粒子140をも含む。本実施例において、実施例3と同様に、接着層161の存在により固体高分子電解質膜114と燃料極102との接合性が良好となる。また、接着層161には導電性の炭素粒子140も含まれるため、接着層の電子の伝導性を良好にすることができる。これにより、本実施例における燃料電池が良好な動作を示すと考えられる。   FIG. 7 is a diagram schematically showing the fuel electrode 102 and the solid polymer electrolyte membrane 114 of the fuel cell of the present embodiment, and the adhesive layer 161 interposed therebetween. As illustrated, the adhesive layer 161 has a high content of the second solid polymer electrolyte 160 (PPBP) in a region near the solid polymer electrolyte membrane 114 and a first solid polymer polymer in a region near the catalyst layer 106. It is configured so that the content of the electrolyte 150 (Nafion) is high. Further, the adhesive layer 161 also includes the carbon particles 140. In the present embodiment, as in the third embodiment, the bonding property between the solid polymer electrolyte membrane 114 and the fuel electrode 102 is improved due to the presence of the adhesive layer 161. In addition, since the adhesive layer 161 also includes the conductive carbon particles 140, the conductivity of the electrons in the adhesive layer can be improved. Thus, it is considered that the fuel cell according to the present embodiment shows a good operation.

(比較例1)
本比較例では、燃料極102および酸化剤極108を構成する第一の固体高分子電解質と、固体高分子電解質膜114を構成する第二の固体高分子電解質とを、いずれもナフィオンとし、接着層161を設けない構成とした。ここで、第一の固体高分子電解質は電極表面の触媒層の一部を構成し、第二の固体高分子電解質は固体高分子電解質膜を構成する。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, the first solid polymer electrolyte constituting the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108 and the second solid polymer electrolyte constituting the solid polymer electrolyte membrane 114 were both made of Nafion, The structure in which the layer 161 was not provided was adopted. Here, the first solid polymer electrolyte forms a part of the catalyst layer on the electrode surface, and the second solid polymer electrolyte forms a solid polymer electrolyte membrane.

固体高分子電解質膜114は、PPBPをナフィオンに代えたこと以外は上記実施例と同様の方法により作製した。   The solid polymer electrolyte membrane 114 was produced by the same method as in the above-described example except that PPBP was changed to Nafion.

また、燃料極102および酸化剤極108は、実施例1と同様にして作製した。   The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 were manufactured in the same manner as in Example 1.

つづいて燃料極102および酸化剤極108で上記固体高分子電解質膜114を挟み、温度150℃、圧力10kgf/cm10秒間の条件でホットプレスすることにより電極−電解質接合体を作製した。 Subsequently, the solid polymer electrolyte membrane 114 was sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108, and hot-pressed at a temperature of 150 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 for 10 seconds to produce an electrode-electrolyte assembly.

さらに、これらを燃料電池の単セル測定用装置にセットして単セルを作製した。   Further, these were set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell to produce a single cell.

この単セルに、10wt%メタノール水溶液および酸素(1.1気圧、25℃)を燃料としてセルの電流電圧特性を測定した。その結果、開放電圧0.45V、短絡電流0.09A/cmが観測された。 The current-voltage characteristics of this single cell were measured using a 10 wt% methanol aqueous solution and oxygen (1.1 atm, 25 ° C.) as fuel. As a result, an open circuit voltage of 0.45 V and a short circuit current of 0.09 A / cm 2 were observed.

本比較例では、燃料極から酸化剤極へのメタノールのクロスオーバーが発生したため電池効率が低下したものと推察される。   In this comparative example, it is inferred that the cell efficiency was reduced due to crossover of methanol from the fuel electrode to the oxidant electrode.

(比較例2)
本比較例では、第一の固体高分子電解質および第二の固体高分子電解質としてPPBPを使用し、接着層161を設けない構成とした。ここで、第一の固体高分子電解質は電極表面の触媒層の一部を構成し、第二の固体高分子電解質は固体高分子電解質膜を構成する。
(Comparative Example 2)
In this comparative example, PPBP was used as the first solid polymer electrolyte and the second solid polymer electrolyte, and no adhesive layer 161 was provided. Here, the first solid polymer electrolyte forms a part of the catalyst layer on the electrode surface, and the second solid polymer electrolyte forms a solid polymer electrolyte membrane.

固体高分子電解質膜114は上記実施例と同様の方法により、PPBPを用いて作製した。   The solid polymer electrolyte membrane 114 was manufactured using PPBP in the same manner as in the above embodiment.

また、燃料極102および酸化剤極108は、以下のようにして作製した。まず実施例1の溶液A(PPBP含有)に、実施例1と同様にして得た触媒担持炭素粒子を添加し、分散液を得た。こうして得られた分散液を50℃にて3時間超音波分散器で分散することによりペースト状とし、ペーストBを得た。このペーストBを、カーボンペーパー(東レ社製:TGP−H−120)である基体104および基体110にスクリーン印刷法で塗布した後、100℃にて加熱乾燥して燃料極102および酸化剤極108を得た。得られた電極表面の白金量は0.1〜0.4mg/cmとなった。 Further, the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 were produced as follows. First, the catalyst-supporting carbon particles obtained in the same manner as in Example 1 were added to the solution A (containing PPBP) of Example 1 to obtain a dispersion. The dispersion thus obtained was dispersed in an ultrasonic disperser at 50 ° C. for 3 hours to obtain a paste, thereby obtaining a paste B. The paste B is applied to the bases 104 and 110 which are carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc .: TGP-H-120) by a screen printing method, and then heated and dried at 100 ° C. to form the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108. Got. The platinum amount on the obtained electrode surface was 0.1 to 0.4 mg / cm 2 .

つづいて燃料極102および酸化剤極108で上記固体高分子電解質膜114を挟み、温度150℃、圧力10kgf/cm10秒間の条件でホットプレスすることにより電極−電解質接合体を作製した。 Subsequently, the solid polymer electrolyte membrane 114 was sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 108, and hot-pressed at a temperature of 150 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 for 10 seconds to produce an electrode-electrolyte assembly.

さらに、これらを燃料電池の単セル測定用装置にセットして単セルを作製した。
上記実施例と同様の放電試験を行ったが、安定な放電を確認することはできなかった。
Further, these were set in an apparatus for measuring a single cell of a fuel cell to produce a single cell.
A discharge test similar to that of the above example was performed, but no stable discharge could be confirmed.

本比較例では、図3における第一の固体高分子電解質150(ナフィオン)が第二の固体高分子電解質160(PPBP)によって置き換わった構成となっている。この第二の固体高分子電解質160(PPBP)は、表1に示したように第一の固体高分子電解質150(ナフィオン)よりもメタノール透過率および含水率が劣る。そのため、燃料極から酸化剤極への水素イオンの移動が不充分となり、電池として安定に機能しなかったものと推察される。   The present comparative example has a configuration in which the first solid polymer electrolyte 150 (Nafion) in FIG. 3 is replaced by the second solid polymer electrolyte 160 (PPBP). As shown in Table 1, the second solid polymer electrolyte 160 (PPBP) is inferior to the first solid polymer electrolyte 150 (Nafion) in methanol permeability and water content. Therefore, it is presumed that the transfer of hydrogen ions from the fuel electrode to the oxidant electrode was insufficient, and the battery did not function stably.

(比較例3)
本比較例では、第一の固体高分子電解質としてナフィオンを使用し、第二の固体高分子電解質としてPPBPを使用し、接着層161を設けない構成とした。ここで、第一の固体高分子電解質は電極表面の触媒層の一部を構成し、第二の固体高分子電解質は固体高分子電解質膜を構成する。
燃料極102および酸化剤極108、固体高分子電解質膜114を実施例1と同様の方法により作製した後、燃料極102および酸化剤極108と、固体高分子電解質膜114とを熱圧着したが、両者が充分に接合せず、評価に耐えうる燃料電池を得ることはできなかった。
(Comparative Example 3)
In this comparative example, Nafion was used as the first solid polymer electrolyte, PPBP was used as the second solid polymer electrolyte, and no adhesive layer 161 was provided. Here, the first solid polymer electrolyte forms a part of the catalyst layer on the electrode surface, and the second solid polymer electrolyte forms a solid polymer electrolyte membrane.
After the fuel electrode 102, the oxidant electrode 108, and the solid polymer electrolyte membrane 114 were produced in the same manner as in Example 1, the fuel electrode 102, the oxidant electrode 108, and the solid polymer electrolyte membrane 114 were thermocompression-bonded. However, the two were not sufficiently joined, and a fuel cell that could withstand the evaluation could not be obtained.

以上の実施例において、酸化剤極108の貴金属触媒として白金−ルテニウム触媒を用いた場合、各実施例において、さらに安定的な電池特性を有することが示された。   In the above examples, when a platinum-ruthenium catalyst was used as the noble metal catalyst of the oxidant electrode 108, it was shown that each example had more stable battery characteristics.

本発明の燃料電池の一例の構造を模式的に表した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of an example of a fuel cell according to the present invention. 本発明の燃料電池の一例における燃料極、酸化剤極および固体高分子電解質膜を模式的に表した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a fuel electrode, an oxidizer electrode, and a solid polymer electrolyte membrane in an example of the fuel cell of the present invention. 本発明の実施例の燃料電池における燃料極と固体高分子電解質膜とを模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a fuel electrode and a solid polymer electrolyte membrane in a fuel cell according to an example of the present invention. 本発明の実施形態における接着層を詳細に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the adhesion layer in embodiment of this invention in detail. 本発明の実施例の燃料電池の燃料極と固体高分子電解質膜、およびこれらの間に介在する接着層を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a fuel electrode and a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and an adhesive layer interposed therebetween. 本発明の実施例の燃料電池の燃料極と固体高分子電解質膜、およびこれらの間に介在する接着層を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a fuel electrode and a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and an adhesive layer interposed therebetween. 本発明の実施例の燃料電池の燃料極と固体高分子電解質膜、およびこれらの間に介在する接着層を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a fuel electrode and a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and an adhesive layer interposed therebetween.

符号の説明Explanation of reference numerals

100 燃料電池
101 電極−電解質接合体
102 燃料極
104 基体
106 触媒層
108 酸化剤極
110 基体
112 触媒層
114 固体高分子電解質膜
120 燃料極側セパレータ
122 酸化剤極側セパレータ
124 燃料
126 酸化剤
140 炭素粒子
150 第一の固体高分子電解質
160 第二の固体高分子電解質
161 接着層
161a、161b、161c、161d、161e 触媒層

REFERENCE SIGNS LIST 100 fuel cell 101 electrode-electrolyte assembly 102 fuel electrode 104 base 106 catalyst layer 108 oxidizer electrode 110 base 112 catalyst layer 114 solid polymer electrolyte membrane 120 fuel electrode separator 122 oxidizer electrode separator 124 fuel 126 oxidizer 140 carbon Particles 150 First solid polymer electrolyte 160 Second solid polymer electrolyte 161 Adhesive layer 161a, 161b, 161c, 161d, 161e Catalyst layer

Claims (48)

第一の固体高分子電解質および触媒物質を含む触媒電極と、
固体高分子電解質膜と、
前記触媒電極と前記固体高分子電解質膜との間に設けられ、第二の高分子電解質を含む接着層と、
を有することを特徴とする燃料電池。
A catalyst electrode comprising a first solid polymer electrolyte and a catalyst material,
A solid polymer electrolyte membrane,
An adhesive layer provided between the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane, and including a second polymer electrolyte,
A fuel cell comprising:
請求項1に記載の燃料電池において、前記接着層と前記固体高分子電解質膜とが接していることを特徴とする燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the adhesive layer is in contact with the solid polymer electrolyte membrane. 請求項1または2に記載の燃料電池において、前記接着層と前記触媒電極とが接していることを特徴とする燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the adhesive layer is in contact with the catalyst electrode. 請求項1乃至3いずれかに記載の燃料電池において、前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも前記固体高分子電解質膜に対する密着性が高いことを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the second solid polymer electrolyte has higher adhesion to the solid polymer electrolyte membrane than the first solid polymer electrolyte. Fuel cell. 請求項1乃至4いずれかに記載の燃料電池において、前記第二の固体高分子電解質は、前記固体高分子電解質膜を構成する固体高分子電解質またはその誘導体からなることを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the second solid polymer electrolyte comprises a solid polymer electrolyte constituting the solid polymer electrolyte membrane or a derivative thereof. 請求項1乃至5いずれかに記載の燃料電池において、前記触媒電極に有機液体燃料が供給されることを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein an organic liquid fuel is supplied to the catalyst electrode. 請求項6に記載の燃料電池において、前記有機液体燃料がメタノールであることを特徴とする燃料電池。   7. The fuel cell according to claim 6, wherein the organic liquid fuel is methanol. 請求項1乃至7いずれかに記載の燃料電池において、前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも前記有機液体燃料の透過性が低いことを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the second solid polymer electrolyte has lower permeability of the organic liquid fuel than the first solid polymer electrolyte. . 請求項1乃至8いずれかに記載の燃料電池において、前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも含水率が低いことを特徴とする燃料電池。   9. The fuel cell according to claim 1, wherein the second solid polymer electrolyte has a lower moisture content than the first solid polymer electrolyte. 9. 請求項1乃至9いずれかに記載の燃料電池において、前記第一の固体高分子電解質および前記第二の固体高分子電解質が、いずれも、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池。   10. The fuel cell according to claim 1, wherein each of the first solid polymer electrolyte and the second solid polymer electrolyte includes a proton acid group. 請求項1乃至10いずれかに記載の燃料電池において、前記第一の固体高分子電解質は、フッ素を含有する高分子からなることを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the first solid polymer electrolyte is made of a polymer containing fluorine. 請求項1乃至11いずれかに記載の燃料電池において、前記第二の固体高分子電解質は、フッ素を含まない高分子からなることを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein the second solid polymer electrolyte is made of a polymer containing no fluorine. 請求項1乃至12いずれかに記載の燃料電池において、前記第二の固体高分子電解質は、芳香族を含有する高分子からなることを特徴とする燃料電池。   13. The fuel cell according to claim 1, wherein the second solid polymer electrolyte is made of an aromatic-containing polymer. 請求項1乃至13いずれかに記載の燃料電池において、
前記接着層は、前記第二の高分子電解質を主成分として構成されたことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 13,
The fuel cell according to claim 1, wherein the adhesive layer is composed mainly of the second polymer electrolyte.
請求項1乃至14いずれかに記載の燃料電池において、
前記接着層は、さらに、前記第一の高分子電解質を含むことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 14,
The fuel cell according to claim 1, wherein the adhesive layer further includes the first polymer electrolyte.
請求項1乃至15いずれかに記載の燃料電池において、
前記接着層は、前記触媒電極および前記固体高分子電解質膜に接して設けられ、
前記接着層の前記触媒電極と接する面における前記第二の固体高分子電解質の含有率が、前記接着層の前記固体高分子電解質膜と接する面における前記第二の固体高分子の含有率よりも低いことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 15,
The adhesive layer is provided in contact with the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane,
The content of the second solid polymer electrolyte on the surface of the adhesive layer in contact with the catalyst electrode is higher than the content of the second solid polymer on the surface of the adhesive layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane. A fuel cell characterized by being low.
請求項1乃至16いずれかに記載の燃料電池において、
前記接着層は、触媒物質を含むことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 16,
The fuel cell according to claim 1, wherein the adhesive layer includes a catalyst material.
請求項17に記載の燃料電池において、
前記接着層は、前記触媒電極および前記固体高分子電解質膜に接して設けられ、
前記接着層の前記触媒電極と接する面における前記触媒物質の含有率が、前記接着層の前記固体高分子電解質膜と接する面における前記触媒物質の含有率よりも高いことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 17,
The adhesive layer is provided in contact with the catalyst electrode and the solid polymer electrolyte membrane,
A fuel cell, wherein a content of the catalyst substance on a surface of the adhesive layer in contact with the catalyst electrode is higher than a content of the catalyst substance on a surface of the adhesive layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane.
請求項1乃至18いずれかに記載の燃料電池において、
前記触媒物質は、触媒金属と、前記触媒金属を担持した導電粒子とを含むことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 18,
The fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst material includes a catalyst metal and conductive particles supporting the catalyst metal.
触媒物質および第一の固体高分子電解質を含む電極層と、該電極層上に形成された第二の固体高分子電解質を含む接着層と、を有することを特徴とする燃料電池用電極。   An electrode for a fuel cell, comprising: an electrode layer containing a catalyst substance and a first solid polymer electrolyte; and an adhesive layer formed on the electrode layer and containing a second solid polymer electrolyte. 請求項20に記載の燃料電池用電極において、前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりもメタノール透過性が低いことを特徴とする燃料電池用電極。   21. The fuel cell electrode according to claim 20, wherein the second solid polymer electrolyte has a lower methanol permeability than the first solid polymer electrolyte. 請求項20または21に記載の燃料電池用電極において、前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも含水率が低いことを特徴とする燃料電池用電極。   22. The fuel cell electrode according to claim 20, wherein the second solid polymer electrolyte has a lower moisture content than the first solid polymer electrolyte. 請求項20乃至22いずれかに記載の燃料電池用電極において、前記第一の固体高分子電解質および前記第二の固体高分子電解質が、いずれも、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池用電極。   23. The fuel cell electrode according to claim 20, wherein each of the first solid polymer electrolyte and the second solid polymer electrolyte includes a proton acid group. Electrodes. 請求項20乃至23いずれかに記載の燃料電池用電極において、前記第一の固体高分子電解質は、フッ素を含有する高分子からなることを特徴とする燃料電池用電極。   24. The electrode for a fuel cell according to claim 20, wherein the first solid polymer electrolyte is made of a polymer containing fluorine. 請求項20乃至24いずれかに記載の燃料電池用電極において、前記第二の固体高分子電解質は、フッ素を含まない高分子からなることを特徴とする燃料電池用電極。   25. The fuel cell electrode according to claim 20, wherein the second solid polymer electrolyte is made of a polymer containing no fluorine. 請求項20乃至25いずれかに記載の燃料電池用電極において、前記第二の固体高分子電解質は、芳香族を含有する高分子からなることを特徴とする燃料電池用電極。   26. The fuel cell electrode according to claim 20, wherein the second solid polymer electrolyte is made of a polymer containing an aromatic compound. 請求項20乃至26いずれかに記載の燃料電池用電極において、
前記電極層は、前記第一の固体高分子電解質を含むことを特徴とする燃料電池用電極。
The fuel cell electrode according to any one of claims 20 to 26,
The electrode for a fuel cell, wherein the electrode layer includes the first solid polymer electrolyte.
請求項20乃至27いずれかに記載の燃料電池用電極において、
前記接着層は、前記電極層に接して設けられ、
前記接着層の前記電極層と接する面における前記第二の固体高分子電解質の含有率が、当該電極層と接する面とは反対の面における前記第二の固体高分子電解質の含有率よりも低いことを特徴とする燃料電池用電極。
The fuel cell electrode according to any one of claims 20 to 27,
The adhesive layer is provided in contact with the electrode layer,
The content of the second solid polymer electrolyte in the surface of the adhesive layer in contact with the electrode layer is lower than the content of the second solid polymer electrolyte in the surface opposite to the surface in contact with the electrode layer. An electrode for a fuel cell, comprising:
請求項20乃至28いずれかに記載の燃料電池用電極において、
前記接着層は、触媒物質を含むことを特徴とする燃料電池用電極。
The fuel cell electrode according to any one of claims 20 to 28,
The electrode for a fuel cell, wherein the adhesive layer includes a catalyst material.
請求項29に記載の燃料電池用電極において、
前記接着層は、前記電極層に接して設けられ、
前記接着層の前記電極層と接する面における前記触媒物質の含有率が、当該電極層と接する面とは反対の面における前記触媒物質の含有率よりも高いことを特徴とする燃料電池用電極。
The fuel cell electrode according to claim 29,
The adhesive layer is provided in contact with the electrode layer,
An electrode for a fuel cell, wherein a content of the catalyst substance in a surface of the adhesive layer in contact with the electrode layer is higher than a content of the catalyst substance in a surface opposite to a surface in contact with the electrode layer.
請求項20乃至30いずれかに記載の燃料電池用電極において、
前記触媒物質は、触媒金属と、前記触媒金属を担持した導電粒子とを含むことを特徴とする燃料電池用電極。
The fuel cell electrode according to any one of claims 20 to 30,
The electrode for a fuel cell, wherein the catalyst material includes a catalyst metal and conductive particles supporting the catalyst metal.
基体上に触媒層、接着層がこの順で形成された燃料電池用電極の製造方法であって、
触媒金属を担持した導電粒子と、第一の固体高分子電解質を含む粒子とを含有する第一の塗布液を基体上に塗布して前記触媒層を形成する工程と、
前記第一の固体高分子電解質とは異なる高分子からなる第二の固体高分子電解質を含む粒子を含有する第二の塗布液を前記触媒層上に塗布して前記接着層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing a fuel cell electrode in which a catalyst layer and an adhesive layer are formed in this order on a substrate,
A step of forming a catalyst layer by applying a first coating solution containing conductive particles carrying a catalyst metal and particles containing a first solid polymer electrolyte onto a substrate,
Forming a second coating solution containing particles containing a second solid polymer electrolyte composed of a polymer different from the first solid polymer electrolyte on the catalyst layer to form the adhesive layer; ,
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
請求項32に記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりもメタノール透過性が低いことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to claim 32,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the second solid polymer electrolyte has a lower methanol permeability than the first solid polymer electrolyte.
請求項32または33に記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第二の固体高分子電解質は、前記第一の固体高分子電解質よりも含水率が低いことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to claim 32 or 33,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the second solid polymer electrolyte has a lower water content than the first solid polymer electrolyte.
請求項32乃至34いずれかに記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第一の固体高分子電解質および前記第二の固体高分子電解質が、いずれも、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 32 to 34,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the first solid polymer electrolyte and the second solid polymer electrolyte each include a proton acid group.
請求項32乃至35いずれかに記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第一の固体高分子電解質は、フッ素を含有する高分子からなることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 32 to 35,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the first solid polymer electrolyte is made of a polymer containing fluorine.
請求項32乃至36いずれかに記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第二の固体高分子電解質は、フッ素を含まない高分子からなることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 32 to 36,
The method for manufacturing a fuel cell electrode, wherein the second solid polymer electrolyte is made of a polymer containing no fluorine.
請求項32乃至37いずれかに記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第二の固体高分子電解質は、芳香族を含有する高分子からなることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 32 to 37,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the second solid polymer electrolyte is made of a polymer containing an aromatic.
請求項32乃至38いずれかに記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第二の塗布液は、前記第一の固体高分子電解質を含む粒子を含むことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 32 to 38,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the second coating liquid contains particles containing the first solid polymer electrolyte.
請求項39に記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記接着層を形成する工程は、前記第一の固体高分子電解質を含む粒子の含有率が異なる複数の塗布液を塗布する工程を含むことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to claim 39,
The method for producing a fuel cell electrode, wherein the step of forming the adhesive layer includes a step of applying a plurality of coating solutions having different content rates of particles including the first solid polymer electrolyte.
請求項32乃至40いずれかに記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第二の塗布液は、触媒金属を担持した導電粒子を含むことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 32 to 40,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the second coating liquid contains conductive particles carrying a catalyst metal.
請求項41に記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記接着層を形成する工程は、前記触媒金属を担持した導電粒子の含有率の異なる複数の塗布液を塗布する工程を含むことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
The method for producing a fuel cell electrode according to claim 41,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the step of forming the adhesive layer includes a step of applying a plurality of coating solutions having different contents of the conductive particles supporting the catalyst metal.
請求項32乃至42いずれかに記載の燃料電池用電極の製造方法によって燃料電池用電極を得た後、前記接着層と固体高分子電解質膜とを当接させた状態で前記燃料電池用電極と固体高分子電解質膜とを熱圧着する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。   A fuel cell electrode is obtained by the method for producing a fuel cell electrode according to any one of claims 32 to 42, and the fuel cell electrode and the solid polymer electrolyte membrane are in contact with each other. A method for manufacturing a fuel cell, comprising a step of thermocompression bonding with a solid polymer electrolyte membrane. 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を狭持し、基体上に触媒層が形成された一対の電極とを有する燃料電池の製造方法であって、
触媒物質と、第一の固体高分子電解質を含む粒子とを含有する第一の塗布液を基体上に塗布して前記触媒層を形成する工程と、
前記第一の固体高分子電解質とは異なる高分子からなる第二の固体高分子電解質を含む粒子を含有する第二の塗布液を前記固体高分子電解質膜に塗布して接着層を形成する工程と、
前記触媒層と前記接着層とを当接させた状態で前記電極と前記固体高分子電解質膜とを熱圧着する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell, comprising a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes having a catalyst layer formed on a substrate, sandwiching the solid polymer electrolyte membrane,
A step of forming a catalyst layer by applying a first coating solution containing a catalyst substance and particles containing a first solid polymer electrolyte to a substrate,
A step of applying a second coating solution containing particles containing a second solid polymer electrolyte composed of a polymer different from the first solid polymer electrolyte to the solid polymer electrolyte membrane to form an adhesive layer When,
A step of thermocompression bonding the electrode and the solid polymer electrolyte membrane in a state where the catalyst layer and the adhesive layer are in contact with each other;
A method for manufacturing a fuel cell, comprising:
請求項44に記載の燃料電池の製造方法において、
前記第二の塗布液は、前記第一の固体高分子電解質を含む粒子を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
The method for producing a fuel cell according to claim 44,
The method for producing a fuel cell, wherein the second coating liquid contains particles containing the first solid polymer electrolyte.
請求項45に記載の燃料電池の製造方法において、
前記接着層を形成する工程は、前記第一の固体高分子電解質を含む粒子の含有率の異なる複数の塗布液を塗布する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
The method for manufacturing a fuel cell according to claim 45,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the step of forming the adhesive layer includes a step of applying a plurality of coating solutions having different content rates of particles including the first solid polymer electrolyte.
請求項44乃至46いずれかに記載の燃料電池の製造方法において、
前記第二の塗布液は、触媒金属を担持した導電粒子を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
The method for manufacturing a fuel cell according to any one of claims 44 to 46,
The method for producing a fuel cell, wherein the second coating liquid contains conductive particles carrying a catalyst metal.
請求項47に記載の燃料電池の製造方法において、
前記接着層を形成する工程は、前記触媒金属を担持した導電粒子の含有率の異なる複数の塗布液を塗布する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
The method for manufacturing a fuel cell according to claim 47,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the step of forming the adhesive layer includes a step of applying a plurality of coating solutions having different contents of the conductive particles carrying the catalyst metal.
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KR101275790B1 (en) * 2010-03-10 2013-06-18 삼성에스디아이 주식회사 Membrane-electrode assembly for fuel cell, methode of manufacturing membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009193682A (en) * 2008-02-12 2009-08-27 Mitsubishi Gas Chem Co Inc Manufacturing method of membrane-electrode assembly
KR101275790B1 (en) * 2010-03-10 2013-06-18 삼성에스디아이 주식회사 Membrane-electrode assembly for fuel cell, methode of manufacturing membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system
US8735017B2 (en) 2010-03-10 2014-05-27 Samsung Sdi Co., Ltd Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of manufacturing membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system

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