JP2005197195A - Solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means to achieve both the effective supply of a reaction gas to a catalyst contained in a catalyst layer and the suppression of an increase in electron transfer resistance of the catalyst layer. <P>SOLUTION: The catalyst layers (120a, 120c) are made to have a laminate structure of a layer (122a, 122c) in which cavities are formed and a layer (121a, 121c) in which cavities are not formed, the layers (122a, 122c) being disposed on the sides of gas diffusion layers (130a, 130c). Due to the cavities (123a, 123c), gases are effectively supplied to the catalysts. Besides, due to the no-cavity layers, electron transfer resistance is suppressed low. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、固体高分子型燃料電池の触媒層の改良技術に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell. More specifically, the present invention relates to a technique for improving a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.

近年、電源の一つとして燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素やメタノールなどの燃料の酸化により発電する装置をいう。燃料電池の発電効率は非常に高い。また、水素を燃料として用いる燃料電池からの排出物は水であり、地球環境保護の観点からも、非常に有用な電源である。   In recent years, fuel cells have attracted attention as one of power sources. A fuel cell refers to a device that generates electricity by oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol. The power generation efficiency of fuel cells is very high. Moreover, the discharge from the fuel cell using hydrogen as a fuel is water, which is a very useful power source from the viewpoint of protecting the global environment.

燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池など、各種燃料電池が提案されている。この中では、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動可能であることから、自動車等の移動体用動力源として期待され、開発が進められている。   Various fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell have been proposed as fuel cells. Among these, the polymer electrolyte fuel cell can be operated at a relatively low temperature, and is expected to be used as a power source for moving bodies such as automobiles, and is being developed.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池、PEFCとも呼ばれる、プロトン伝導性の高分子電解質を用いた燃料電池である。以下の説明においては、PEFCとも記載する。PEFCは、プロトン伝導性の高分子電解質膜の両側に、発電反応を促進する触媒を含む触媒層が形成される。触媒層の外側には、ガス拡散層およびセパレータが配置される。セパレータの表面には、ガスが流通するガス流路が形成され、発電反応に用いられるガスは、ガス流路およびガス拡散層を経て、触媒層に供給される。また、発電反応に伴い生成した水は、ガス拡散層およびガス流路を経て、PEFC外部に排出される。   The polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a proton conductive polymer electrolyte, also called a polymer electrolyte fuel cell or PEFC. In the following description, it is also referred to as PEFC. In PEFC, a catalyst layer containing a catalyst for promoting a power generation reaction is formed on both sides of a proton-conductive polymer electrolyte membrane. A gas diffusion layer and a separator are disposed outside the catalyst layer. A gas flow path through which gas flows is formed on the surface of the separator, and the gas used for the power generation reaction is supplied to the catalyst layer through the gas flow path and the gas diffusion layer. Moreover, the water produced | generated with the electric power generation reaction is discharged | emitted outside PEFC through a gas diffusion layer and a gas flow path.

触媒層には、触媒の他に、触媒を担持する担体、プロトン伝導性の高分子電解質が含まれる。触媒の利用率を高める観点からは、触媒層はできるだけ緻密であることが望ましい。一方、発電反応を円滑に進行させるためには、反応ガスが触媒にまで効率よく供給されることが望ましい。つまり、触媒の利用率を向上させるには、緻密な触媒層を形成すればよいが、反応ガスの流通が妨げられるほど緻密であると、かえってPEFCの発電特性が低下してしまう。   In addition to the catalyst, the catalyst layer includes a carrier supporting the catalyst and a proton conductive polymer electrolyte. From the viewpoint of increasing the utilization rate of the catalyst, it is desirable that the catalyst layer be as dense as possible. On the other hand, in order to make the power generation reaction proceed smoothly, it is desirable that the reaction gas is efficiently supplied to the catalyst. That is, in order to improve the utilization rate of the catalyst, it is only necessary to form a dense catalyst layer. However, if it is dense enough to prevent the reaction gas from flowing, the power generation characteristics of the PEFC are deteriorated.

この問題を解決する技術としては、触媒層面内に、意図的にガス拡散性を向上させるための空隙を設けて、反応ガスの流通経路を確保する技術が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、触媒層に形成された空隙により、触媒層における電子移動パスが減少し、触媒層の電子移動抵抗が増大する。特に、長期間の使用によって触媒が劣化した場合に、電子移動抵抗が増大しがちである。
特開2002−270187号公報
As a technique for solving this problem, a technique has been proposed in which a void for intentionally improving gas diffusibility is provided in the catalyst layer surface to secure a reaction gas flow path (see Patent Document 1). . However, the voids formed in the catalyst layer reduce the electron transfer path in the catalyst layer and increase the electron transfer resistance of the catalyst layer. In particular, when the catalyst deteriorates due to long-term use, the electron transfer resistance tends to increase.
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-270187

そこで、本発明の目的は、触媒層に含まれる触媒への反応ガスの効率的な供給、および、触媒層の電子移動抵抗の増大抑制の双方を達成する手段を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide means for achieving both efficient supply of reaction gas to the catalyst contained in the catalyst layer and suppression of increase in electron transfer resistance of the catalyst layer.

本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟持する、1対の触媒層と、前記触媒層の前記高分子電解質膜に対向する面に、前記高分子電解質膜および前記触媒層を挟持するように配置された、1対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体であって、少なくとも一方の前記触媒層は、膜電極接合体の構成要素が積層される方向に積層された2以上の層からなり、前記触媒層を構成する2以上の層は、ガスの供給を促進するための空隙が形成された層と、ガスの供給を促進するための空隙が形成されていない層とからなり、前記空隙が形成された層が、前記ガス拡散層側に配置されている、膜電極接合体である。   The present invention provides a polymer electrolyte membrane, a pair of catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer on a surface of the catalyst layer facing the polymer electrolyte membrane. A pair of gas diffusion layers disposed so as to sandwich the electrode assembly, wherein at least one of the catalyst layers is laminated in a direction in which the components of the membrane electrode assembly are laminated. In addition, the two or more layers constituting the catalyst layer are formed of a layer in which a gap for promoting the gas supply is formed, and a gap for promoting the gas supply is not formed. The membrane electrode assembly is a membrane electrode assembly in which the layer in which the voids are formed is disposed on the gas diffusion layer side.

本発明の膜電極接合体においては、触媒層に含まれる触媒に、反応ガスが効率的に供給される。また、反応ガスを効率的に供給するための手段による、触媒層の電子移動抵抗の増大が最小限に抑制される。   In the membrane electrode assembly of the present invention, the reaction gas is efficiently supplied to the catalyst contained in the catalyst layer. Further, the increase in the electron transfer resistance of the catalyst layer due to the means for efficiently supplying the reaction gas is suppressed to the minimum.

以下、本発明の膜電極接合体について、図面を用いながら詳細に説明する。なお、本発明においては、空隙が形成された層と空隙が形成されていない層とから、触媒層が構成される点を除いては、従来の膜電極接合体において用いられていた材料が、同様に用いられうる。このため、高分子電解質膜、ガス拡散層(以下、「GDL」と記載)など、触媒層以外の基本構成については、簡単に説明するが、例示する材料や形状に、これらの材料が限定されるわけではない。   Hereinafter, the membrane electrode assembly of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present invention, the material used in the conventional membrane electrode assembly except that the catalyst layer is constituted from the layer in which the void is formed and the layer in which the void is not formed, It can be used as well. For this reason, basic configurations other than the catalyst layer, such as a polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer (hereinafter referred to as “GDL”), will be briefly described, but these materials are limited to the exemplified materials and shapes. I don't mean.

まず、膜電極接合体の基本的な構成について、概要を説明する。図1は、本発明の膜電極接合体の一実施形態についての断面模式図である。   First, an outline of the basic configuration of the membrane electrode assembly will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of the membrane electrode assembly of the present invention.

膜電極接合体10の中央には、高分子電解質膜110が配置される。高分子電解質膜のアノード側には、触媒層120a、およびGDL130aが、この順序で配置される。触媒層120aは、高分子電解質膜110側に配置された、クラックなどの空隙が形成されていない層121aと、GDL130a側に配置された、クラックなどの空隙123aが形成された層122aとからなる。一方、高分子電解質膜110のカソード側にも、触媒層120c、およびGDL130cが、この順序で配置される。アノード側と同様に、触媒層120cは、高分子電解質膜110側に配置された、クラックなどの空隙が形成されていない層121cと、GDL130c側に配置された、クラックなどの空隙123cが形成された層122cとからなる。なお、本願において「膜電極接合体」とは、高分子電解質膜、高分子電解質膜を挟持する1対の触媒層と、高分子電解質膜および触媒層を挟持する1対のGDLとを有する集合体を意味する。また、「空隙が形成された層」とは、人為的に空隙が形成されている層を意味する。層を形成する上で不可避的に発生する空隙のみを含む層は、本願における「空隙が形成された層」には該当せず、「空隙が形成されていない層」に該当するものとする。   A polymer electrolyte membrane 110 is disposed in the center of the membrane electrode assembly 10. On the anode side of the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer 120a and the GDL 130a are arranged in this order. The catalyst layer 120a includes a layer 121a that is disposed on the polymer electrolyte membrane 110 side and in which no voids such as cracks are formed, and a layer 122a that is disposed on the GDL 130a side and in which voids 123a such as cracks are formed. . On the other hand, the catalyst layer 120c and the GDL 130c are also arranged in this order on the cathode side of the polymer electrolyte membrane 110. Similar to the anode side, the catalyst layer 120c is formed with a layer 121c disposed on the polymer electrolyte membrane 110 side where no voids such as cracks are formed, and a void 123c such as cracks disposed on the GDL 130c side. Layer 122c. In the present application, the “membrane electrode assembly” is an assembly having a polymer electrolyte membrane, a pair of catalyst layers that sandwich the polymer electrolyte membrane, and a pair of GDLs that sandwich the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. Means the body. The “layer in which voids are formed” means a layer in which voids are artificially formed. A layer including only voids inevitably generated when forming a layer does not correspond to “a layer in which voids are formed” in the present application, but corresponds to “a layer in which voids are not formed”.

膜電極接合体10を用いてPEFCを作製する場合には、膜電極接合体10の外側に、膜電極接合体10を挟持するように1対のセパレータを配置する(図示せず)。セパレータは、GDLと接する面にガス流路を有する。その他にも、必要に応じて、種々の部材が設置されうる。例えば、PEFCに供給されたガスの外部へのリークを防ぐシール材が配置される(図示せず)。   When a PEFC is manufactured using the membrane electrode assembly 10, a pair of separators is arranged outside the membrane electrode assembly 10 so as to sandwich the membrane electrode assembly 10 (not shown). The separator has a gas flow path on the surface in contact with the GDL. In addition, various members can be installed as necessary. For example, a sealing material that prevents leakage of gas supplied to the PEFC to the outside is disposed (not shown).

本発明の膜電極接合体10においては、少なくとも一方の触媒層(120a、120c)が、膜電極接合体の構成要素が積層される方向に積層された2以上の層からなる。図1に示すように、双方の触媒層が、2以上の層から構成されていてもよい。そして、GDL(130a、130c)側に配置された層(122a、122c)が、ガスの供給を促進するための空隙(123a、123c)を有する。一方、高分子電解質110側に配置された層(121a、121c)は、ガスの供給を促進するための空隙を有さない。   In the membrane electrode assembly 10 of the present invention, at least one of the catalyst layers (120a, 120c) is composed of two or more layers laminated in the direction in which the components of the membrane electrode assembly are laminated. As shown in FIG. 1, both catalyst layers may be composed of two or more layers. And the layer (122a, 122c) arrange | positioned at the GDL (130a, 130c) side has the space | gap (123a, 123c) for promoting supply of gas. On the other hand, the layers (121a, 121c) arranged on the polymer electrolyte 110 side do not have voids for promoting gas supply.

このように、アノード側またはカソード側の少なくとも一方の触媒層を、2以上の層からなる積層構造とし、GDL(130a、130c)と接している触媒層(122a、122c)には、クラックなどの空隙(123a、123c)を設ける。空隙(123a、123c)により、セパレータに設けられたガス流路およびGDLを通じて供給されたガスの拡散性が向上し、触媒層(120a、120c)に配置された触媒へ、効率よくガスが供給される。また、空隙(123a、123c)により、触媒層における電池反応により生成した水が、GDL(130a、130c)側に効率よく排除されうる。   As described above, at least one of the catalyst layers on the anode side or the cathode side has a laminated structure including two or more layers, and the catalyst layers (122a, 122c) in contact with the GDL (130a, 130c) have cracks or the like. A space | gap (123a, 123c) is provided. Due to the gaps (123a, 123c), the diffusibility of the gas supplied through the gas flow path provided in the separator and the GDL is improved, and the gas is efficiently supplied to the catalyst disposed in the catalyst layer (120a, 120c). The Moreover, the water produced | generated by the battery reaction in a catalyst layer can be efficiently excluded by the space | gap (123a, 123c) by the side of GDL (130a, 130c).

一方、高分子電解質膜110と接している触媒層(121a、121c)には、ガスの供給を促進するための空隙が形成されない。空隙を有さない触媒層の存在により、電子移動パスが確保され、触媒層の電子移動抵抗の増大が最小限に抑制される。   On the other hand, voids for promoting gas supply are not formed in the catalyst layers (121a, 121c) in contact with the polymer electrolyte membrane 110. The presence of the catalyst layer having no voids secures an electron transfer path and suppresses an increase in electron transfer resistance of the catalyst layer to a minimum.

このように、触媒層を2以上の層からなる積層構造とし、GDL側の層によってガス拡散および生成水排出機能の向上を図り、高分子電解質膜側の層によって電子電動機能の確保を図ることにより、触媒層に含まれる触媒に反応ガスが効率的に供給され、かつ、触媒層の電子移動抵抗の増大が最小限に抑制される。   In this way, the catalyst layer has a laminated structure composed of two or more layers, the GDL side layer improves the gas diffusion and generated water discharge function, and the polymer electrolyte membrane side layer secures the electronic electric function. Thus, the reaction gas is efficiently supplied to the catalyst included in the catalyst layer, and an increase in the electron transfer resistance of the catalyst layer is suppressed to a minimum.

続いて、膜電極接合体を構成する部材について、順に説明する。   Then, the member which comprises a membrane electrode assembly is demonstrated in order.

高分子電解質膜110は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜としては各種の材料が提案されている。例えば、高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる膜が挙げられる。高分子電解質膜は、自ら合成した膜が用いられてもよいし、市販の製品が用いられてもよい。   The polymer electrolyte membrane 110 is a polymer membrane having proton conductivity. Various materials have been proposed for the polymer electrolyte membrane. For example, the polymer electrolyte membrane includes a membrane made of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group. As the polymer electrolyte membrane, a membrane synthesized by itself may be used, or a commercially available product may be used.

触媒層(120a、120c)は、電極反応を媒介する触媒が配置される部位である。触媒層は、一般的には、触媒、触媒を担持する担体、およびプロトン伝導性高分子電解質を含む。本発明においては、触媒層(120a、120c)は、2以上の層からなる。2以上積層されるそれぞれの層が触媒層としての機能を有するが、本発明においては、原則として、「触媒層」とは、触媒層としての機能を有する層全体を指す。触媒層によって、高分子電解質膜が挟持される。即ち、触媒層120a/高分子電解質膜110/触媒層120cの順に、積層される。なお、本発明において「挟持」とは、ある部材が、2つの他の部材の間に介在している状態を意味する。部材間の接触面積は特に制限されない。   The catalyst layers (120a, 120c) are portions where a catalyst that mediates an electrode reaction is disposed. The catalyst layer generally includes a catalyst, a carrier supporting the catalyst, and a proton conductive polymer electrolyte. In the present invention, the catalyst layers (120a, 120c) are composed of two or more layers. Each of the two or more layers stacked has a function as a catalyst layer. In the present invention, in principle, the “catalyst layer” refers to the entire layer having a function as a catalyst layer. The polymer electrolyte membrane is sandwiched between the catalyst layers. That is, the layers are laminated in the order of catalyst layer 120a / polymer electrolyte membrane 110 / catalyst layer 120c. In the present invention, “clamping” means a state in which a certain member is interposed between two other members. The contact area between the members is not particularly limited.

本発明の膜電極接合体においては、空隙を有する層がGDL側に配置され、空隙を有さない層が高分子電解質膜側に配置される。空隙を有する層および空隙を有さない層は、それぞれ2以上の層からなる積層体であってもよい。本発明の膜電極接合体においては、空隙を有する層がGDL側の最外層に配置され、空隙を有さない層が高分子電解質膜側の最外層に配置されていれば、層構成については特に限定されない。例えば、空隙を有する2以上の層がGDL側に配置され、空隙を有さない2以上の層が高分子電解質膜側に配置される。空隙を有する2以上の層は、GDLから高分子電解質膜に近づくに従って、空隙率が徐々に減少していってもよい。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, a layer having voids is disposed on the GDL side, and a layer having no voids is disposed on the polymer electrolyte membrane side. The layer having voids and the layer not having voids may each be a laminate composed of two or more layers. In the membrane electrode assembly of the present invention, if the layer having voids is disposed in the outermost layer on the GDL side, and the layer not having voids is disposed in the outermost layer on the polymer electrolyte membrane side, There is no particular limitation. For example, two or more layers having voids are disposed on the GDL side, and two or more layers having no voids are disposed on the polymer electrolyte membrane side. The porosity of two or more layers having voids may gradually decrease as the distance from the GDL to the polymer electrolyte membrane is approached.

本発明において「空隙」とは、触媒層に供給されるガスの供給を促進する隙間を意味する。水素ガスや空気などのガスの供給が促進されるのであれば、空隙の形状や大きさについては、特に限定されない。空隙はクラック状であってもよいし、多孔質状であってもよい。空隙を有する触媒層の空隙率は、特に限定されないが、ガスの供給を効果的に促進し、触媒の利用率を大きく低下させないためには、0.1〜40%程度の空隙率を有しているとよい。   In the present invention, the “void” means a gap that promotes the supply of the gas supplied to the catalyst layer. The shape and size of the gap are not particularly limited as long as the supply of a gas such as hydrogen gas or air is promoted. The void may be cracked or porous. The porosity of the catalyst layer having voids is not particularly limited, but it has a porosity of about 0.1 to 40% in order to effectively promote gas supply and not greatly reduce the utilization rate of the catalyst. It is good to have.

空隙が形成された層の膜厚、および空隙が形成されていない層の膜厚に関しては、好ましくは、空隙が形成された層の総膜厚が、空隙が形成されていない層の総膜厚以上である。触媒層に供給されたガスの拡散性の向上および生成水の排出性の向上のためには、空隙が形成された層の総膜厚が、空隙が形成されていない層の総膜厚以上であるとよい。より好ましくは、空隙が形成された層の総膜厚が、空隙が形成されていない層の総膜厚の1.0〜5.0倍である。さらに好ましくは、空隙が形成された層の総膜厚が、空隙が形成されていない層の総膜厚の1.5〜3.0倍である。このような構成であれば、ガス拡散および生成水の排出の双方が効果的に進行する。電子移動パスは、比較的薄い層であっても十分に確保されるため、空隙が形成されていない層の総膜厚が比較的薄くてもよい。なお、「空隙が形成された層の総膜厚」とは、空隙が形成された層の膜厚の合計を意味する。膜厚は平均膜厚として算出され、例えば、測定される膜を9分割して、9つの領域のそれぞれについての膜厚を測定した際の、平均値として算出される。   Regarding the film thickness of the layer in which the void is formed and the film thickness of the layer in which the void is not formed, the total film thickness of the layer in which the void is formed is preferably the total film thickness of the layer in which the void is not formed. That's it. In order to improve the diffusibility of the gas supplied to the catalyst layer and the discharge of produced water, the total film thickness of the layer in which the voids are formed is equal to or greater than the total film thickness of the layer in which no voids are formed. There should be. More preferably, the total film thickness of the layer in which voids are formed is 1.0 to 5.0 times the total film thickness of the layer in which voids are not formed. More preferably, the total film thickness of the layer in which the void is formed is 1.5 to 3.0 times the total film thickness of the layer in which the void is not formed. If it is such composition, both gas diffusion and discharge of generated water will advance effectively. Since the electron transfer path is sufficiently secured even in a relatively thin layer, the total film thickness of the layer in which no void is formed may be relatively thin. The “total film thickness of the layer in which voids are formed” means the total film thickness of the layers in which voids are formed. The film thickness is calculated as an average film thickness. For example, it is calculated as an average value when the film to be measured is divided into nine and the film thickness is measured for each of the nine regions.

具体的には、空隙が形成された層の総膜厚は、好ましくは25〜45μmである。空隙が形成されていない層の総膜厚は、好ましくは5〜25μmである。空隙が形成されていない層の総膜厚をこの範囲にすることで、発電反応に必要な触媒量が確保される。また、電池サイズの増大や電子移動抵抗の増大が抑制される。   Specifically, the total film thickness of the layer in which voids are formed is preferably 25 to 45 μm. The total film thickness of the layer in which no void is formed is preferably 5 to 25 μm. By setting the total film thickness of the layer in which no voids are formed within this range, the amount of catalyst necessary for the power generation reaction is ensured. Further, an increase in battery size and an increase in electron transfer resistance are suppressed.

空隙が形成された層と空隙が形成されていない層との総膜厚は、好ましくは50μm以下である。高分子電解質膜とGDLとの間に配置される触媒層の総膜厚が薄すぎると、電極反応に必要な触媒量を十分に確保できなくなる虞、および、電池性能や寿命特性が低下する虞がある。一方、触媒層の総膜厚が厚すぎると、発電性能が低下する虞がある。したがって、電池性能や寿命特性を考慮して、触媒層の厚みが決定されるべきである。   The total film thickness of the layer in which voids are formed and the layer in which voids are not formed is preferably 50 μm or less. If the total thickness of the catalyst layer disposed between the polymer electrolyte membrane and the GDL is too thin, it may not be possible to secure a sufficient amount of catalyst necessary for the electrode reaction, and the battery performance and life characteristics may be deteriorated. There is. On the other hand, if the total film thickness of the catalyst layer is too thick, the power generation performance may be reduced. Therefore, the thickness of the catalyst layer should be determined in consideration of battery performance and life characteristics.

また、好ましくは、空隙が形成された層(122a、122c)の空隙率が、層内部で変化する。固体高分子型燃料電池の電極内において、反応ガスは、セパレータに設けられた流路、およびガス拡散層(130a、130c)を経て触媒層(120a、120c)に供給される。このとき、反応ガスの流れ方向における上流側に相当する部位においては、反応ガスの流速が早いために、触媒層(120a、120c)内部が乾燥しやすくなる。逆に、反応ガスの流れ方向における下流側に相当する部位においては、反応ガスの流速が遅いために、電極反応により生成した水が排出されにくく、フラッディング現象が発生しやすくなる。触媒層の乾燥は、電気化学反応に必要なプロトンの移動速度を低下させ、ひいては電池特性の低下を招く。また、フラッディング現象は、反応ガスの拡散を阻害し、やはり電池特性の低下を招く。   Preferably, the porosity of the layer (122a, 122c) in which the void is formed varies within the layer. In the electrode of the polymer electrolyte fuel cell, the reaction gas is supplied to the catalyst layer (120a, 120c) through the flow path provided in the separator and the gas diffusion layer (130a, 130c). At this time, in the portion corresponding to the upstream side in the flow direction of the reaction gas, the inside of the catalyst layer (120a, 120c) is easily dried because the flow velocity of the reaction gas is high. On the other hand, at the site corresponding to the downstream side in the flow direction of the reaction gas, the flow rate of the reaction gas is slow, so that the water generated by the electrode reaction is not easily discharged and the flooding phenomenon is likely to occur. Drying of the catalyst layer reduces the proton transfer rate necessary for the electrochemical reaction, which in turn causes the battery characteristics to deteriorate. In addition, the flooding phenomenon hinders the diffusion of the reaction gas, and also causes the battery characteristics to deteriorate.

この問題は、空隙が形成された層(122a、122c)の空隙率を、層内部で変化させることによって解決可能である。具体的には、空隙が形成された層(122a、122c)における空隙率を、空隙が形成された層に供給されるガスが流通するセパレータのガス流路のガス流入部からガス排出部への方向にかけて増加させる。このように、空隙率をガスの流れ方向に変化させることによって、反応ガスの上流側における電極の乾燥を防止し、反応ガスの下流側におけるフラッディング現象を防止することが可能である。   This problem can be solved by changing the void ratio of the layer (122a, 122c) in which the void is formed inside the layer. Specifically, the porosity in the layers (122a, 122c) in which the voids are formed is determined from the gas inflow portion of the gas flow path of the separator through which the gas supplied to the layers in which the voids are formed to the gas discharge portion. Increase in the direction. Thus, by changing the porosity in the gas flow direction, it is possible to prevent drying of the electrode on the upstream side of the reactive gas and to prevent the flooding phenomenon on the downstream side of the reactive gas.

図面を用いて、空隙率が変化する一実施態様について説明する。図2は、空隙が形成された層の空隙率が、セパレータ140aのガス流路のガス流入部151aからガス排出部152aへの方向にかけて変化するPEFCのアノードの平面図である。図2は、空隙が形成されていない層121aと空隙が形成された層122aとの接触面から、GDL130a方向を観察した図面である。なお、図2においては、説明の都合上、GDL130aは記載されていない。セパレータ140aに形成されている流路は、破線で示されている。   An embodiment in which the porosity changes will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a plan view of the PEFC anode in which the porosity of the layer in which the voids are formed changes in the direction from the gas inlet 151a to the gas outlet 152a of the gas flow path of the separator 140a. FIG. 2 is a drawing in which the direction of the GDL 130a is observed from the contact surface between the layer 121a in which no void is formed and the layer 122a in which the void is formed. In FIG. 2, the GDL 130a is not shown for convenience of explanation. The flow path formed in the separator 140a is indicated by a broken line.

空隙が形成された層122aは、第1空隙部125a、第2空隙部126a、および第3空隙部127aからなる。第1空隙部125a、第2空隙部126a、および第3空隙部127aは、それぞれ空隙率が異なり、この順に空隙率が高くなっている。   The layer 122a in which the void is formed includes a first void portion 125a, a second void portion 126a, and a third void portion 127a. The first void portion 125a, the second void portion 126a, and the third void portion 127a have different void ratios, and the void ratio increases in this order.

セパレータ140aには、触媒層120aに供給するガスが流通するガス流路150aが形成される。ガス流路150aには、ガス流入部151aを通じてガスが供給され、ガス排出部152aを通じてガスが排出される。ガス流入部151aとは、ガス流路150aに供給されるガスが、ガス流路151aに流入する部位を意味する。ガス排出部152aとは、ガス流路150aを流通したガスがセパレータから外部に排出される部位を意味する。「空隙率が、ガス流入部からガス排出部への方向にかけて変化する」とは、ガス流入部からガス排出部へ向かう方向に空隙が形成された層の空隙率を測定した場合に、少なくともガス流入部とガス排出部とで空隙率が異なることを意味する。   The separator 140a is formed with a gas flow path 150a through which a gas supplied to the catalyst layer 120a flows. Gas is supplied to the gas flow path 150a through the gas inflow portion 151a, and the gas is discharged through the gas discharge portion 152a. The gas inflow portion 151a means a portion where the gas supplied to the gas flow path 150a flows into the gas flow path 151a. The gas discharge part 152a means the site | part from which the gas which distribute | circulated the gas flow path 150a is discharged | emitted from a separator outside. “The porosity changes in the direction from the gas inflow part to the gas exhaust part” means that at least the gas is measured when the porosity of the layer in which the void is formed in the direction from the gas inflow part to the gas exhaust part. It means that the porosity is different between the inflow part and the gas discharge part.

図2に示す実施形態においては、空隙が形成された層122aは、セパレータのガス流路のガス流入部151a側に位置する第1空隙部125aと、セパレータのガス流路のガス排出部152a側に位置する第3空隙部127aと、第1空隙部125aと第3空隙部127aとの間に存在する第2空隙部126aとからなる。図2に示す実施形態においては、空隙が形成された層122aは、空隙率の異なる3つの部位(125a、126a、127a)からなるが、空隙率の異なる2つの部位から構成されてもよいし、空隙率の異なる4つ以上の部位から構成されてもよい。空隙率が連続的に変化する態様であってもよい。図2に示す実施形態は、アノード側について示しているが、カソード側についても、同様の構成が採用されうる。場合によっては、カソード側のみに、空隙率を変化させる構成が採用されてもよい。   In the embodiment shown in FIG. 2, the layer 122a in which the void is formed includes the first void portion 125a positioned on the gas inflow portion 151a side of the separator gas flow path and the gas discharge portion 152a side of the separator gas flow path. The third gap portion 127a located at the first gap portion 125a and the second gap portion 126a existing between the first gap portion 125a and the third gap portion 127a. In the embodiment shown in FIG. 2, the layer 122a in which the voids are formed is composed of three portions (125a, 126a, 127a) having different void ratios, but may be composed of two portions having different void ratios. Further, it may be composed of four or more parts having different porosity. The aspect in which the porosity continuously changes may be used. The embodiment shown in FIG. 2 shows the anode side, but the same configuration can be adopted for the cathode side. In some cases, a configuration in which the porosity is changed only on the cathode side may be employed.

このように空隙率を変化させることによって、電極の乾燥やフラッディング現象が防止され、電池性能の低下が防止される。   By changing the porosity in this way, electrode drying and flooding are prevented, and deterioration of battery performance is prevented.

空隙率の具体的数値については、特に限定されないが、好ましくは、ガス流入部151aに対応する部位125aにおける空隙率が、隣接する空隙が形成されていない層121aの空隙率の1.5〜2.0倍であり、ガス排出部152aに対応する部位127aにおける空隙率が、隣接する空隙が形成されていない層121aの空隙率の2.5〜3.0倍である。この範囲の空隙率とすることによって、効果的に電池性能の低下が抑制される。なお、空隙率とは、体積あたりの空隙の割合を意味し、例えばSEMを用いて、電極内部における任意の個所(数箇所)の拡大写真を撮影し、画像処理を行うことで撮影範囲内の空孔個所の面積を求め、電極部分の面積との比を算出することにより求めることができる。例えば、図2に示すように、空隙が形成された層を3つの部位から構成する場合には、ガス流入部151aに対応する部位に存在する第1空隙部125aの空隙率、第2空隙部126aの空隙率、およびガス排出部152aに対応する部位に存在する第2空隙部127aの空隙率を、それぞれ、空隙が形成されていない層121aの空隙率の1.5〜2.0倍、2.0〜2.5倍、2.5〜3.0倍とする。   The specific numerical value of the porosity is not particularly limited, but preferably, the porosity in the portion 125a corresponding to the gas inflow portion 151a is 1.5 to 2 of the porosity of the layer 121a in which the adjacent void is not formed. The porosity of the portion 127a corresponding to the gas discharge part 152a is 2.5 to 3.0 times the porosity of the layer 121a in which the adjacent void is not formed. By setting the porosity in this range, it is possible to effectively suppress a decrease in battery performance. Note that the void ratio means the ratio of voids per volume. For example, using an SEM, an enlarged photograph of an arbitrary part (several places) inside the electrode is taken, and image processing is performed to perform the image processing. It can be obtained by calculating the area of the hole portion and calculating the ratio with the area of the electrode portion. For example, as shown in FIG. 2, when the layer in which the void is formed is composed of three portions, the porosity of the first void portion 125a existing in the portion corresponding to the gas inflow portion 151a, the second void portion The porosity of 126a and the porosity of the second cavity 127a existing at the site corresponding to the gas discharge part 152a are 1.5 to 2.0 times the porosity of the layer 121a in which no cavity is formed, 2.0 to 2.5 times and 2.5 to 3.0 times.

ガスの供給を促進するための空隙が形成された層と、ガスの供給を促進するための空隙が形成されていない層とからなる、固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法は、特に限定されない。例えば、以下の方法が用いられうる。   A method for producing a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, comprising a layer in which voids for promoting gas supply are formed and a layer in which voids for promoting gas supply are not formed, It is not limited. For example, the following method can be used.

まず、空隙が形成された層を作製するためのスラリーを調製する。スラリーには、発泡剤を含ませておく。発泡剤としては、ショウノウなどが用いられうる。スラリーには、発泡剤のほかに、触媒層を構成する材料が配合される。例えば、スラリーには、触媒を担持する担体、高分子電解質、および発泡剤が含まれる。スラリーは、撥水性基材などの所定のシート上に形成した後、GDLの表面に転写されてもよいし、GDLの表面にスラリーが塗布されてもよい。好ましくは、GDLの表面に、スラリーが塗布される。GDLは多孔質であるため、クラックが生じやすい。スラリーの塗布方法は、特に限定されず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレー法などの塗布方法が用いられうる。発泡剤は、乾燥時に消滅する。これにより、空隙が形成された層が形成されうる。層の空隙率は、発泡剤の添加量で制御されうる。   First, a slurry for preparing a layer in which voids are formed is prepared. A foaming agent is included in the slurry. As the foaming agent, camphor or the like can be used. In addition to the foaming agent, a material constituting the catalyst layer is blended in the slurry. For example, the slurry includes a carrier supporting a catalyst, a polymer electrolyte, and a blowing agent. The slurry may be formed on a predetermined sheet such as a water-repellent substrate and then transferred to the surface of the GDL, or the slurry may be applied to the surface of the GDL. Preferably, the slurry is applied to the surface of the GDL. Since GDL is porous, cracks are likely to occur. The method for applying the slurry is not particularly limited, and application methods such as a screen printing method, a doctor blade method, and a spray method can be used. The blowing agent disappears upon drying. Thereby, a layer in which voids are formed can be formed. The porosity of the layer can be controlled by the amount of foaming agent added.

図2に示すように、空隙が形成された層を、空隙率の異なる複数の部位から構成する場合には、発泡剤の種類または発泡剤の配合量が異なる2種以上のスラリーを塗布および乾燥することによって、空隙率が異なる2以上の部位からなる層を形成するとよい。   As shown in FIG. 2, when the layer in which the voids are formed is composed of a plurality of portions having different void ratios, two or more kinds of slurries having different types of foaming agents or blending amounts of the foaming agents are applied and dried. By doing so, a layer composed of two or more parts having different porosity may be formed.

空隙率の異なる3つの部位を形成する場合について、より具体的に説明すると、まず、ガス流入部に対応する部位に塗布されるガス流入部側用スラリー、ガス排出部に対応する部位に塗布されるガス排出部側用スラリー、これらの中間部位に塗布される中間部位用スラリーを調製する。ガス流入部側用スラリーを、ガス流入部に対応する3分の1の面積に塗布し、塗膜を乾燥させる。その後、中間部位用スラリーを隣接する3分の1の面積に塗布し、塗膜を乾燥させる。最後に、残りの3分の1の面積に、ガス排出部側用スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させる。かような方法により、3つの領域からなる空隙が形成された層が作製されうる。ただし、かような製法によって作製された触媒層を含むPEFCに、本発明の技術的範囲が限定されるわけではない。   More specifically, in the case of forming three parts having different void ratios, first, the slurry for gas inflow part applied to the part corresponding to the gas inflow part and the part corresponding to the gas discharge part are applied. The slurry for the gas discharge part side and the slurry for intermediate parts applied to these intermediate parts are prepared. The gas inflow portion side slurry is applied to a one-third area corresponding to the gas inflow portion, and the coating film is dried. Thereafter, the intermediate portion slurry is applied to the adjacent one-third area, and the coating film is dried. Finally, the gas discharge part side slurry is applied to the remaining one-third area, and the coating film is dried. By such a method, a layer in which a void composed of three regions is formed can be produced. However, the technical scope of the present invention is not limited to the PEFC including the catalyst layer manufactured by such a manufacturing method.

一方、空隙が形成されていない層を作製するためのスラリーを調製する。スラリーには、発泡剤を含ませない。スラリーには、触媒層を構成する材料が配合される。例えば、スラリーには、触媒を担持する担体、および高分子電解質が含まれる。スラリーは、撥水性基材などの所定のシート上に形成した後、高分子電解質膜の表面に転写されてもよいし、高分子電解質膜の表面にスラリーが塗布されてもよい。好ましくは、スラリーは、撥水性基材上に塗布され、塗膜が乾燥される。ポリテトラフルオロエチレンシートのような撥水性基材は、一般に多孔質でなく、クラックなどの空隙が形成されていない層を形成する上で好都合である。撥水性基材上に形成された塗膜は、高分子電解質膜上にホットプレスにより転写される。ホットプレスの後、撥水性基材は剥がされる。   On the other hand, a slurry for preparing a layer in which no void is formed is prepared. The slurry does not contain a blowing agent. A material constituting the catalyst layer is blended in the slurry. For example, the slurry includes a carrier supporting a catalyst and a polymer electrolyte. The slurry may be formed on a predetermined sheet such as a water-repellent substrate, and then transferred to the surface of the polymer electrolyte membrane, or the slurry may be applied to the surface of the polymer electrolyte membrane. Preferably, the slurry is applied onto a water repellent substrate and the coating film is dried. A water-repellent substrate such as a polytetrafluoroethylene sheet is generally not porous and is advantageous in forming a layer in which no voids such as cracks are formed. The coating film formed on the water repellent substrate is transferred onto the polymer electrolyte membrane by hot pressing. After hot pressing, the water repellent substrate is peeled off.

上述の説明においては、発泡剤が用いられる製造方法について説明したが、発泡剤を用いずに空隙が形成された層が作製されてもよい。例えば、水分含有量が多いスラリーを調製し、このスラリーを塗布した後、加熱乾燥し、塗膜表面にクラックを発生させる。クラックの発生度合いは、水分含有量および乾燥条件などによって制御されうる。   In the above description, the manufacturing method in which the foaming agent is used has been described. However, a layer in which voids are formed without using the foaming agent may be produced. For example, a slurry having a high water content is prepared, and after applying this slurry, it is heated and dried to generate cracks on the coating film surface. The degree of occurrence of cracks can be controlled by the moisture content and drying conditions.

触媒は、水素の酸化反応および/または酸素の還元反応に、触媒作用を有することが求められる。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、銅、銀等の金属、及びそれらの合金等が、触媒として用いられうる。通常は、触媒は、触媒粒子として、担体に担持された状態で含まれる。   The catalyst is required to have a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen and / or the reduction reaction of oxygen. For example, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, copper, silver, and alloys thereof. It can be used as a catalyst. Usually, the catalyst is contained as catalyst particles in a state of being supported on a carrier.

担体は、前記触媒を担持するために用いられうる材料を意味する。ただし、触媒を担持していない担体が含まれていてもよい。担体は導電性であり、発生した電子は担体を通じて移動しうる。触媒を担持しない担体が含まれる場合には、触媒を担持しない担体は、耐食性の低い担体であることが好ましい。耐食性の高い担体により多くの触媒が担持されていると、担体が腐食した場合の発電特性の低下が抑制される。   Carrier means a material that can be used to support the catalyst. However, a carrier not carrying a catalyst may be included. The carrier is conductive and the generated electrons can move through the carrier. When a carrier that does not carry a catalyst is included, the carrier that does not carry a catalyst is preferably a carrier having low corrosion resistance. When a large number of catalysts are supported on a carrier having high corrosion resistance, a decrease in power generation characteristics when the carrier is corroded is suppressed.

担体としては、カーボンブラック、活性炭、コークス、黒鉛等の炭素材料が用いられうる。担体は、公知の手法を用いて自ら合成された担体が用いられてもよいし、市販の製品が用いられてもよい。市販の製品を改良した担体が用いられてもよい。触媒が炭素材料に担持されたときの粒子径は、一般的には1〜30nm程度である。担持の容易さという観点からは、1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点からは、30nm以下であることが好ましい。ただし、場合によっては、この範囲から外れる粒子径であってもよい。   As the carrier, carbon materials such as carbon black, activated carbon, coke, and graphite can be used. As the carrier, a carrier synthesized by itself using a known method may be used, or a commercially available product may be used. Carriers modified from commercial products may be used. The particle diameter when the catalyst is supported on the carbon material is generally about 1 to 30 nm. From the viewpoint of ease of loading, it is preferably 1 nm or more, and from the viewpoint of catalyst utilization, it is preferably 30 nm or less. However, in some cases, the particle diameter may be out of this range.

プロトン伝導性高分子電解質としては、前記高分子電解質膜と同様の重合体が用いられうる。プロトン伝導性高分子電解質を触媒層中に含ませることによって、アノード側の触媒周辺で生成したプロトンが高分子電解質膜へと輸送され、また、カソード側の触媒周辺へとプロトンが輸送されうる。   As the proton conductive polymer electrolyte, the same polymer as the polymer electrolyte membrane can be used. By including a proton conductive polymer electrolyte in the catalyst layer, protons generated around the catalyst on the anode side can be transported to the polymer electrolyte membrane, and protons can be transported to the periphery of the catalyst on the cathode side.

触媒層には他の成分が含有されてもよい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体といった撥水性高分子等が、触媒層中に含まれうる。   The catalyst layer may contain other components. For example, a water-repellent polymer such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer can be included in the catalyst layer.

触媒層における、触媒、担体、およびプロトン伝導性高分子電解質の配合量については、特に限定されない。既に得られている知見に基づき、適切な配合量が決定されればよい。触媒層を構成する層によって、配合量が異なっていても良い。一般的には、触媒層の全質量を基準として、触媒の総配合量は20〜40質量%、担体の総配合量は25〜40質量%、プロトン伝導性高分子電解質の総配合量は20〜55質量%である。   There are no particular limitations on the amount of the catalyst, the carrier, and the proton conductive polymer electrolyte in the catalyst layer. An appropriate blending amount may be determined based on the knowledge already obtained. The blending amount may be different depending on the layer constituting the catalyst layer. Generally, based on the total mass of the catalyst layer, the total compounding amount of the catalyst is 20 to 40% by mass, the total compounding amount of the carrier is 25 to 40% by mass, and the total compounding amount of the proton conductive polymer electrolyte is 20%. It is -55 mass%.

触媒層に含まれる高分子電解質の濃度は、好ましくは、隣接するGDLから高分子電解質膜の方向に増加する。つまり、触媒層に含まれる高分子電解質の濃度が、GDLから高分子電解質膜に近づくにつれて高くなる。濃度の上昇の仕方は、段階的であっても、連続的であってもよい。製造のしやすさを考慮すると、触媒層を構成する層ごとに、高分子電解質の濃度を変化させるとよい。触媒層における高分子電解質量が増加すると、プロトン移動抵抗が減少する。このため、高分子電解質膜に近接する部位においては、高分子電解質の濃度を上昇させることによって、十分なプロトン伝導性が確保される。一方、高分子電解質量が多いと、ガス拡散性や排水性は低下する虞がある。このため、GDLに近接する部位においては、高分子電解質の濃度を低下させて、ガス拡散性および排水性を確保するとよい。高分子電解質の濃度に勾配を設けると共に、触媒および担体の濃度にも勾配を設けてもよい。   The concentration of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer preferably increases in the direction from the adjacent GDL to the polymer electrolyte membrane. That is, the concentration of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer increases as it approaches the polymer electrolyte membrane from the GDL. The method of increasing the concentration may be stepwise or continuous. Considering the ease of production, the concentration of the polymer electrolyte is preferably changed for each layer constituting the catalyst layer. As the polymer electrolysis mass in the catalyst layer increases, the proton transfer resistance decreases. For this reason, sufficient proton conductivity is ensured in the part close to the polymer electrolyte membrane by increasing the concentration of the polymer electrolyte. On the other hand, when there is much polymer electrolysis mass, there exists a possibility that gas diffusibility and drainage may fall. For this reason, in the part close | similar to GDL, it is good to reduce the density | concentration of a polymer electrolyte, and to ensure gas diffusibility and drainage. A gradient may be provided for the concentration of the polymer electrolyte, and a gradient may be provided for the concentration of the catalyst and the support.

GDL(130a、130c)は、一般に多孔性の材料からなり、多孔性のガス拡散層によって、燃料電池に供給されたガスが分散して、触媒層に供給される。GDL(130a、130c)は、触媒層の高分子電解質に対向する面に、高分子電解質膜および触媒層を挟持するように配置される。即ち、GDL130aは、触媒層120aの高分子電解質110が配置された面の反対側の面に、配置される。GDL130cは、触媒層120cの高分子電解質110が配置された面の反対側の面に、配置される。全体としては、GDL130aおよびGDL130cによって、高分子電解質膜110および触媒層(120a、120c)が、挟持される。その結果、GDL130a/触媒層120a/高分子電解質膜110/触媒層120c/GDL130cの順に配置された組立体が得られる。   The GDL (130a, 130c) is generally made of a porous material, and the gas supplied to the fuel cell is dispersed by the porous gas diffusion layer and supplied to the catalyst layer. The GDL (130a, 130c) is disposed so as to sandwich the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer on the surface of the catalyst layer facing the polymer electrolyte. That is, the GDL 130a is disposed on the surface of the catalyst layer 120a opposite to the surface on which the polymer electrolyte 110 is disposed. The GDL 130c is disposed on the surface of the catalyst layer 120c opposite to the surface on which the polymer electrolyte 110 is disposed. As a whole, the polymer electrolyte membrane 110 and the catalyst layers (120a, 120c) are sandwiched between the GDL 130a and the GDL 130c. As a result, an assembly is obtained in which GDL 130a / catalyst layer 120a / polymer electrolyte membrane 110 / catalyst layer 120c / GDL 130c are arranged in this order.

GDL(130a、130c)に用いられる材料としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどからなるシート状材料が提案されている。GDLには、電子伝導性、撥水性などの機能も求められる。GDLが優れた電子伝導性を有していると、発電反応により生じた電子の効率的な運搬が達成され、燃料電池の性能が向上する。また、GDLが優れた撥水性を有していると、生成した水が効率的に排出される。   As a material used for GDL (130a, 130c), a sheet-like material made of carbon paper, carbon cloth, nonwoven fabric, carbon woven fabric, paper-like paper body, felt or the like has been proposed. GDL is also required to have functions such as electron conductivity and water repellency. When GDL has excellent electron conductivity, efficient transport of electrons generated by a power generation reaction is achieved, and the performance of the fuel cell is improved. Moreover, if GDL has excellent water repellency, the generated water is efficiently discharged.

高い撥水性を確保するために、GDLを構成する材料を撥水化処理する技術も提案されている。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を含む溶液中にカーボンペーパなどのGDLを構成する材料を含浸させ、大気中または窒素などの不活性ガス中で乾燥させる。場合によっては、親水化処理が、GDLを構成する材料に施されてもよい。乾燥後に、カーボンブラック粉末とPTFE等により形成されるカーボン層を配置しても良い。   In order to ensure high water repellency, a technique for water repellency treatment of a material constituting the GDL has also been proposed. For example, a solution containing a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with a material constituting GDL such as carbon paper, and dried in the air or an inert gas such as nitrogen. Depending on the case, the hydrophilization treatment may be performed on the material constituting the GDL. After drying, a carbon layer formed of carbon black powder and PTFE may be disposed.

GDL(130a、130c)は、性能を向上させるために各種改良が施されても良い。例えば、カーボン繊維織布の表面に、フッ素樹脂とカーボンブラックからなる層を形成することによって、GDLのガス拡散性や対圧縮性の向上が図られても良い(例えば、特開平10−261421号公報、特開平11−273688号公報参照)。   Various improvements may be made to the GDL (130a, 130c) in order to improve performance. For example, GDL gas diffusibility and compressibility may be improved by forming a layer composed of a fluororesin and carbon black on the surface of a carbon fiber woven fabric (for example, JP-A-10-261421). Gazette, JP-A-11-273688).

膜電極接合体は、PEFCの製造に用いられる。PEFCを製造する際には、本発明の膜電極接合体を挟持するように1対のセパレータを配置する。その他にも、必要に応じて、種々の部材が設置されうる。例えば、PEFCに供給されたガスの外部へのリークを防ぐガスケットが配置される。   The membrane electrode assembly is used for the production of PEFC. When manufacturing PEFC, a pair of separators are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly of the present invention. In addition, various members can be installed as necessary. For example, a gasket that prevents leakage of gas supplied to the PEFC to the outside is disposed.

セパレータは、膜電極接合体で発生した電流を隣接する燃料電池に伝達する機能を有する。PEFCが多数のPEFCからなるスタックの端部に配置されている場合には、最外部に配置されたセパレータから電流が取り出される、または、最外部に配置されたセパレータに電流が流れ込む。   The separator has a function of transmitting a current generated in the membrane electrode assembly to an adjacent fuel cell. When the PEFC is arranged at the end of a stack composed of a large number of PEFCs, current is taken out from the separator arranged at the outermost part, or current flows into the separator arranged at the outermost part.

セパレータは、GDLの触媒層に対向する面に、高分子電解質膜、触媒層およびセパレータを挟持するように配置される。即ち、一方のセパレータは、GDL130aの触媒層120aが配置された面の反対側の面に、配置される。他方のセパレータは、GDL130cの触媒層120cが配置された面の反対側の面に、配置される。全体としては、2枚のセパレータによって、高分子電解質膜110、触媒層(120a、120c)、およびGDL(130a、130c)が、挟持される。その結果、セパレータ/GDL130a/触媒層120a/高分子電解質膜110/触媒層120c/GDL130c/セパレータの順に配置されたPEFCが得られる。   The separator is disposed so as to sandwich the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the separator on the surface facing the GDL catalyst layer. That is, one separator is arrange | positioned on the surface on the opposite side to the surface where the catalyst layer 120a of GDL130a is arrange | positioned. The other separator is disposed on the surface opposite to the surface on which the catalyst layer 120c of the GDL 130c is disposed. As a whole, the polymer electrolyte membrane 110, the catalyst layers (120a, 120c), and the GDL (130a, 130c) are sandwiched by two separators. As a result, PEFCs arranged in the order of separator / GDL 130a / catalyst layer 120a / polymer electrolyte membrane 110 / catalyst layer 120c / GDL 130c / separator are obtained.

セパレータのGDL側の表面にはガス流路が形成され、ガス流路に所定のガスが供給される。ガス流路を流通するガスは、GDLに流入し、GDLで拡散されて、最終的には膜電極接合体に供給される。ガス流路は、膜電極接合体における発電反応に伴って生成した水を外部に排出するためにも用いられる。膜電極接合体で発生した水は、GDLを介してセパレータのガス流路に搬送され、ガス流路を経てPEFCの外部に排出される。ガス流路は、セパレータがGDL側の表面に有する凹凸によって形成される。   A gas channel is formed on the GDL side surface of the separator, and a predetermined gas is supplied to the gas channel. The gas flowing through the gas flow path flows into the GDL, is diffused by the GDL, and is finally supplied to the membrane electrode assembly. The gas flow path is also used for discharging water generated along with the power generation reaction in the membrane electrode assembly to the outside. Water generated in the membrane electrode assembly is transported to the gas flow path of the separator via the GDL, and is discharged to the outside of the PEFC through the gas flow path. The gas flow path is formed by irregularities that the separator has on the surface on the GDL side.

PEFCの製造方法については、特に限定されない。得られた知見や公知技術が適宜参照されうる。本発明のPEFCは、種々の用途に用いられうる。好ましい用途としては、車両が挙げられる。本発明のPEFCを搭載してなる車両は、優れた発電特性を有する。   The method for producing PEFC is not particularly limited. Obtained knowledge and known techniques can be referred to as appropriate. The PEFC of the present invention can be used for various applications. Preferred applications include vehicles. A vehicle equipped with the PEFC of the present invention has excellent power generation characteristics.

以下、本発明について実施例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲は、以下の実施例に限定されない。   Hereinafter, although the present invention is explained using an example, the technical scope of the present invention is not limited to the following example.

[実施例1]
まず、触媒層作製用のスラリーを調製した。平均粒子径約30nmのカーボン粒子上に粒径2〜3nmのPtが50質量%担持されたPt担持カーボン粒子1質量部に対し、純水2.5質量部、5質量%ナフィオン溶液(デュポン社登録商標)9質量部、およびイソプロピルアルコール1質量部を混合し、触媒層作製用のスラリーAを得た。次に、スラリーAに、純水2質量部、およびイソプロピルアルコール1質量部を加え、触媒層作製用のスラリーBを得た。
[Example 1]
First, a slurry for preparing a catalyst layer was prepared. For 1 part by mass of Pt-supported carbon particles in which 50% by mass of Pt having a particle diameter of 2 to 3 nm is supported on carbon particles having an average particle diameter of about 30 nm, 2.5 parts by mass of pure water and 5% by mass Nafion solution (DuPont) (Registered trademark) 9 parts by mass and 1 part by mass of isopropyl alcohol were mixed to obtain slurry A for preparing a catalyst layer. Next, 2 parts by mass of pure water and 1 part by mass of isopropyl alcohol were added to the slurry A to obtain a slurry B for preparing a catalyst layer.

ポリテトラフルオロエチレンシート上に、スクリーンプリンターを用いて、スラリーAを塗布した。スラリーAを塗布した後、デシケータ内で約40分自然乾燥させることにより、クラックなどの空隙が生じていない膜が形成された。この作業を繰り返し、最終的には、総膜厚が10μmである、クラックなどの空隙が形成されていない第1触媒層を得た。   The slurry A was applied onto the polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer. After applying the slurry A, it was naturally dried in a desiccator for about 40 minutes to form a film in which no voids such as cracks were generated. This operation was repeated, and finally, a first catalyst layer having a total film thickness of 10 μm and having no voids such as cracks was obtained.

一方、ガス拡散層上に、ドクターブレードを用いて、スラリーBを塗布した。スラリーBを塗布した後、ガス拡散層上のスラリーを40℃で約10分乾燥させ、更に60℃に昇温して約20分乾燥させることにより、クラックが形成された膜が形成された。この作業を繰り返し、最終的には、総膜厚が20μmである、クラックが形成されている第2触媒層を得た。   On the other hand, slurry B was applied onto the gas diffusion layer using a doctor blade. After applying the slurry B, the slurry on the gas diffusion layer was dried at 40 ° C. for about 10 minutes, further heated to 60 ° C. and dried for about 20 minutes, thereby forming a film in which cracks were formed. This operation was repeated, and finally a second catalyst layer having a total film thickness of 20 μm and having cracks formed was obtained.

ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された、空隙のない第1触媒層を、ホットプレスによりプロトン伝導性の高分子電解質膜上の両面に転写した。ポリテトラフルオロエチレンシートは、ホットプレスの後、触媒層から剥がされた。空隙のない第1触媒層が両面に形成された高分子電解質膜と、前述の空隙のある第2触媒層が表面に配置された2枚のガス拡散層とを、第1触媒層と第2触媒層とが接触するように配置し、ホットプレスにより一体化した。これにより、ガス拡散層/第2触媒層(空隙あり)/第1触媒層(空隙なし)/高分子電解質膜/第1触媒層(空隙なし)/第2触媒層(空隙あり)/ガス拡散層がこの順序に積層された、膜電極接合体を得た。   The first catalyst layer having no voids formed on the polytetrafluoroethylene sheet was transferred to both surfaces of the proton conductive polymer electrolyte membrane by hot pressing. The polytetrafluoroethylene sheet was peeled off from the catalyst layer after hot pressing. A polymer electrolyte membrane in which a first catalyst layer having no voids is formed on both surfaces, and two gas diffusion layers on the surface of which the second catalyst layer having voids is disposed on the surface, the first catalyst layer and the second catalyst layer. It arrange | positioned so that a catalyst layer might contact and it integrated by the hot press. Thereby, gas diffusion layer / second catalyst layer (with voids) / first catalyst layer (without voids) / polymer electrolyte membrane / first catalyst layer (without voids) / second catalyst layer (with voids) / gas diffusion A membrane electrode assembly in which the layers were laminated in this order was obtained.

[実施例2]
平均粒子径約30nmのカーボン粒子上に粒径2〜3nmのPtが50質量%担持されたPt担持カーボン粒子1質量部に対し、純水2.5質量部、5質量%ナフィオン溶液(デュポン社登録商標)7質量部、およびイソプロピルアルコール1質量部を混合し、触媒層作製用のスラリーCを得た。
[Example 2]
For 1 part by mass of Pt-supported carbon particles in which 50% by mass of Pt having a particle diameter of 2 to 3 nm is supported on carbon particles having an average particle diameter of about 30 nm, 2.5 parts by mass of pure water and 5% by mass Nafion solution (DuPont) (Registered trademark) 7 parts by mass and 1 part by mass of isopropyl alcohol were mixed to obtain slurry C for preparing a catalyst layer.

ポリテトラフルオロエチレンシート上に、スクリーンプリンターを用いて、スラリーAを塗布した。スラリーAを塗布した後、デシケータ内で約40分自然乾燥させることにより、クラックなどの空隙が生じていない膜が形成された。この作業を繰り返し、最終的には、総膜厚が10μmである、クラックなどの空隙が形成されていない第1触媒層を得た。   The slurry A was applied onto the polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer. After applying the slurry A, it was naturally dried in a desiccator for about 40 minutes to form a film in which no voids such as cracks were generated. This operation was repeated, and finally, a first catalyst layer having a total film thickness of 10 μm and having no voids such as cracks was obtained.

一方、ガス拡散層上に、ドクターブレードを用いて、スラリーCを塗布した。スラリーCを塗布した後、ガス拡散層上のスラリーを40℃で約10分乾燥させ、更に60℃に昇温して約20分乾燥させることにより、クラックが形成された膜が形成された。この作業を繰り返し、最終的には、総膜厚が20μmである、クラックが形成されている第2触媒層を得た。   On the other hand, slurry C was applied onto the gas diffusion layer using a doctor blade. After applying the slurry C, the slurry on the gas diffusion layer was dried at 40 ° C. for about 10 minutes, further heated to 60 ° C. and dried for about 20 minutes, thereby forming a film in which cracks were formed. This operation was repeated, and finally a second catalyst layer having a total film thickness of 20 μm and having cracks formed was obtained.

ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された、空隙のない第1触媒層を、ホットプレスによりプロトン伝導性の高分子電解質膜上の両面に転写した。ポリテトラフルオロエチレンシートは、ホットプレスの後、触媒層から剥がされた。空隙のない第1触媒層が両面に形成された高分子電解質膜と、前述の空隙のある第2触媒層が表面に配置された2枚のガス拡散層とを、第1触媒層と第2触媒層とが接触するように配置し、ホットプレスにより一体化した。これにより、ガス拡散層/第2触媒層(空隙あり)/第1触媒層(空隙なし)/高分子電解質膜/第1触媒層(空隙なし)/第2触媒層(空隙あり)/ガス拡散層がこの順序に積層された、膜電極接合体を得た。   The first catalyst layer having no voids formed on the polytetrafluoroethylene sheet was transferred to both surfaces of the proton conductive polymer electrolyte membrane by hot pressing. The polytetrafluoroethylene sheet was peeled off from the catalyst layer after hot pressing. A polymer electrolyte membrane in which a first catalyst layer having no voids is formed on both surfaces, and two gas diffusion layers on the surface of which the second catalyst layer having voids is disposed on the surface, the first catalyst layer and the second catalyst layer. It arrange | positioned so that a catalyst layer might contact and it integrated by the hot press. Thereby, gas diffusion layer / second catalyst layer (with voids) / first catalyst layer (without voids) / polymer electrolyte membrane / first catalyst layer (without voids) / second catalyst layer (with voids) / gas diffusion A membrane electrode assembly in which the layers were laminated in this order was obtained.

[比較例1]
ポリテトラフルオロエチレンシート上に、スクリーンプリンターを用いて、実施例1で調製したスラリーAを塗布した。スラリーAを塗布した後、デシケータ内で約40分自然乾燥させることにより、クラックなどの空隙が生じていない膜が形成された。この作業を繰り返し、最終的には、総膜厚が30μmである、クラックなどの空隙が形成されていない触媒層を得た。
[Comparative Example 1]
The slurry A prepared in Example 1 was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer. After applying the slurry A, it was naturally dried in a desiccator for about 40 minutes to form a film in which no voids such as cracks were generated. This operation was repeated, and finally, a catalyst layer having a total film thickness of 30 μm and having no voids such as cracks was obtained.

ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された、空隙のない触媒層を、ホットプレスによりプロトン伝導性の高分子電解質膜上の両面に転写した。ポリテトラフルオロエチレンシートは、ホットプレスの後、触媒層から剥がされた。空隙のない触媒層が両面に形成された高分子電解質膜と、2枚のガス拡散層とを積層させて、ホットプレスにより一体化した。これにより、ガス拡散層/触媒層(空隙なし)/高分子電解質膜/触媒層(空隙なし)/ガス拡散層がこの順序に積層された、膜電極接合体を得た。   The catalyst layer having no voids formed on the polytetrafluoroethylene sheet was transferred onto both surfaces of the proton conductive polymer electrolyte membrane by hot pressing. The polytetrafluoroethylene sheet was peeled off from the catalyst layer after hot pressing. A polymer electrolyte membrane in which a catalyst layer without voids was formed on both surfaces and two gas diffusion layers were laminated and integrated by hot pressing. As a result, a membrane electrode assembly was obtained in which the gas diffusion layer / catalyst layer (no voids) / polymer electrolyte membrane / catalyst layer (no voids) / gas diffusion layer were laminated in this order.

[比較例2]
ガス拡散層上に、ドクターブレードを用いて、実施例1で調製したスラリーBを塗布した。スラリーBを塗布した後、ガス拡散層上のスラリーを40℃で約10分乾燥させ、更に60℃に昇温して約20分乾燥させることにより、クラックが形成された膜が形成された。この作業を繰り返し、最終的には、総膜厚が30μmである、クラックが形成されている触媒層を得た。
[Comparative Example 2]
On the gas diffusion layer, the slurry B prepared in Example 1 was applied using a doctor blade. After applying the slurry B, the slurry on the gas diffusion layer was dried at 40 ° C. for about 10 minutes, further heated to 60 ° C. and dried for about 20 minutes, thereby forming a film in which cracks were formed. This operation was repeated, and finally a catalyst layer having a total film thickness of 30 μm and having cracks formed was obtained.

高分子電解質膜と、前述の空隙のある触媒層が表面に配置された2枚のガス拡散層とを積層させて、ホットプレスにより一体化した。これにより、ガス拡散層/触媒層(空隙あり)/高分子電解質膜/触媒層(空隙あり)/ガス拡散層がこの順序に積層された、膜電極接合体を得た。   The polymer electrolyte membrane and the two gas diffusion layers having the above-described void catalyst layer disposed on the surface were laminated and integrated by hot pressing. As a result, a membrane electrode assembly was obtained in which the gas diffusion layer / catalyst layer (with voids) / polymer electrolyte membrane / catalyst layer (with voids) / gas diffusion layer were laminated in this order.

[実施例3]
触媒層作製用のスラリーを調製した。平均粒子径約30nmのカーボン粒子上に粒径2〜3nmのPtが50質量%担持されたPt担持カーボン粒子1質量部に対し、純水2.5質量部、5質量%ナフィオン溶液(デュポン社登録商標)9質量部、およびイソプロピルアルコール1質量部を混合し、触媒層作製用のスラリーDを得た。次に、スラリーDに、発泡剤としてショウノウを添加し、触媒層作製用のスラリーE、F、Gを得た。スラリーE、F、Gでは、添加したショウノウの量が異なっており、ショウノウの含有量は、スラリーE<スラリーF<スラリーGとした。
[Example 3]
A slurry for preparing a catalyst layer was prepared. For 1 part by mass of Pt-supported carbon particles in which 50% by mass of Pt having a particle diameter of 2 to 3 nm is supported on carbon particles having an average particle diameter of about 30 nm, 2.5 parts by mass of pure water and 5% by mass Nafion solution (DuPont) 9 parts by mass of (registered trademark) and 1 part by mass of isopropyl alcohol were mixed to obtain slurry D for preparing a catalyst layer. Next, camphor was added as a foaming agent to slurry D to obtain slurries E, F, and G for preparing a catalyst layer. Slurries E, F, and G had different amounts of added camphor, and the camphor content was set to slurry E <slurry F <slurry G.

ポリテトラフルオロエチレンシート上に、スクリーンプリンターを用いて、スラリーE、スラリーF、およびスラリーGを塗布した。図2に示すように、発泡剤の含有量が少ないスラリーEを、ガス流入部に対応する3分の1の部位に塗布し、発泡剤の含有量が多いスラリーGを、ガス排出部に対応する3分の1の部位に塗布し、その中間部位に、スラリーFを塗布した。その後、デシケータ内で室温で乾燥させて、空隙が形成された膜を得た。   Slurry E, slurry F, and slurry G were applied onto the polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer. As shown in FIG. 2, slurry E with a low foaming agent content is applied to a third of the part corresponding to the gas inflow part, and slurry G with a high foaming agent content is applied to the gas discharge part. The slurry F was applied to the middle part of the coating. Then, it was dried at room temperature in a desiccator to obtain a film in which voids were formed.

空隙が形成された膜の上に、スラリーDをスクリーンプリンター用いて塗布した。その後、デシケータ内で室温で乾燥させて、空隙が形成された層と、空隙が形成されていない層とが積層された触媒層を得た。ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された触媒層を、ホットプレスによりプロトン伝導性の高分子電解質膜上の両面に転写し、1対のガス拡散層で挟持することによって、ガス拡散層/第2触媒層(空隙あり;空隙率の異なる複数の部位から構成)/第1触媒層(空隙なし)/高分子電解質膜/第1触媒層(空隙なし)/第2触媒層(空隙あり;空隙率の異なる複数の部位から構成)/ガス拡散層がこの順序に積層された、膜電極接合体を得た。   Slurry D was applied on the film in which voids were formed, using a screen printer. Then, it was dried at room temperature in a desiccator to obtain a catalyst layer in which a layer in which voids were formed and a layer in which voids were not formed were laminated. The catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet is transferred to both surfaces of the proton conductive polymer electrolyte membrane by hot pressing and sandwiched between a pair of gas diffusion layers, whereby a gas diffusion layer / second layer is formed. Catalyst layer (with voids; composed of a plurality of parts having different void ratios) / first catalyst layer (without voids) / polymer electrolyte membrane / first catalyst layer (without voids) / second catalyst layer (with voids; void ratio) A membrane electrode assembly in which gas diffusion layers were laminated in this order was obtained.

実施例および比較例の触媒層の構造について、表1にまとめて示す。   The structures of the catalyst layers of Examples and Comparative Examples are summarized in Table 1.

Figure 2005197195
Figure 2005197195

実施例および比較例の膜電極接合体を1対のセパレータで挟持し、PEFCの単セルを作製した。実施例3の膜電極接合体を用いる場合には、図2に示すように、スラリーEが塗布された部位に、セパレータのガス流入部が対応し、スラリーGが塗布された部位に、セパレータのガス排出部が対応するように、セパレータを配置した。得られたPEFCの単セルについて、電池特性を調査した。電池特性の調査の際には、燃料極(アノード)には水素ガスを、空気極(カソード)には空気を流し、電池温度を70℃、燃料利用率を67%、空気利用率を40%に制御した。また、水素ガスが60%RH、空気ガスが55%RHとなるように、水素ガスおよび空気を加湿した。0.2A/cmおよび1A/cmの電流を流した場合の、各PEFCのセル電圧を表2にまとめて示す。表2に示すように、本発明のPEFCは、発電特性に優れる。 The membrane electrode assemblies of Examples and Comparative Examples were sandwiched between a pair of separators to produce PEFC single cells. When the membrane electrode assembly of Example 3 is used, as shown in FIG. 2, the gas inflow portion of the separator corresponds to the portion where the slurry E is applied, and the portion of the separator is applied to the portion where the slurry G is applied. A separator was arranged so that the gas discharge part corresponded. Battery characteristics of the obtained single cell of PEFC were investigated. When investigating battery characteristics, hydrogen gas was flowed to the fuel electrode (anode), air was flown to the air electrode (cathode), the cell temperature was 70 ° C., the fuel utilization rate was 67%, and the air utilization rate was 40%. Controlled. Further, the hydrogen gas and air were humidified so that the hydrogen gas was 60% RH and the air gas was 55% RH. Table 2 summarizes the cell voltages of each PEFC when currents of 0.2 A / cm 2 and 1 A / cm 2 were passed. As shown in Table 2, the PEFC of the present invention is excellent in power generation characteristics.

Figure 2005197195
Figure 2005197195

本発明の膜電極接合体の一実施形態についての断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram about one Embodiment of the membrane electrode assembly of this invention. 空隙が形成された層の空隙率が、セパレータのガス流路のガス流入部からガス排出部への方向にかけて変化するPEFCのアノードの平面図である。It is a top view of the anode of PEFC from which the porosity of the layer in which the space | gap was formed changes in the direction from the gas inflow part of the gas flow path of a separator to a gas discharge part.

符号の説明Explanation of symbols

10…膜電極接合体、110…高分子電解質膜、120aおよび120c…触媒層、121aおよび121c…空隙が形成されていない層、122aおよび122c…空隙が形成されている層、123aおよび123c…空隙、125a…第1空隙部、126a…第2空隙部、127a…第3空隙部、130aおよび130c…ガス拡散層(GDL)、140a…セパレータ、150a…ガス流路、151a…ガス流入部、152a…ガス排出部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Membrane electrode assembly, 110 ... Polymer electrolyte membrane, 120a and 120c ... Catalyst layer, 121a and 121c ... Layer without voids, 122a and 122c ... Layer with voids, 123a and 123c ... Gaps , 125a: first gap portion, 126a ... second gap portion, 127a ... third gap portion, 130a and 130c ... gas diffusion layer (GDL), 140a ... separator, 150a ... gas flow path, 151a ... gas inflow portion, 152a ... gas discharge part.

Claims (13)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟持する、1対の触媒層と、
前記触媒層の前記高分子電解質膜に対向する面に、前記高分子電解質膜および前記触媒層を挟持するように配置された、1対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体であって、
少なくとも一方の前記触媒層は、膜電極接合体の構成要素が積層される方向に積層された2以上の層からなり、
前記触媒層を構成する2以上の層は、ガスの供給を促進するための空隙が形成された層と、ガスの供給を促進するための空隙が形成されていない層とからなり、前記空隙が形成された層が、前記ガス拡散層側に配置されている、膜電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane;
A membrane electrode assembly having a pair of gas diffusion layers disposed on the surface of the catalyst layer facing the polymer electrolyte membrane so as to sandwich the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer; ,
At least one of the catalyst layers is composed of two or more layers laminated in the direction in which the constituent elements of the membrane electrode assembly are laminated,
The two or more layers constituting the catalyst layer are composed of a layer in which a gap for promoting gas supply is formed and a layer in which no gap for promoting gas supply is formed. A membrane electrode assembly, wherein the formed layer is disposed on the gas diffusion layer side.
前記空隙が形成された層の総膜厚が、前記空隙が形成されていない層の総膜厚以上である、請求項1に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein a total film thickness of the layer in which the void is formed is equal to or greater than a total film thickness of the layer in which the void is not formed. 前記空隙が形成された層の総膜厚が、前記空隙が形成されていない層の総膜厚の1.0〜5.0倍である、請求項2に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 2, wherein the total film thickness of the layer in which the voids are formed is 1.0 to 5.0 times the total film thickness of the layer in which the voids are not formed. 前記空隙が形成された層の総膜厚が、前記空隙が形成されていない層の総膜厚の1.5〜3.0倍である、請求項3に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the total film thickness of the layer in which the voids are formed is 1.5 to 3.0 times the total film thickness of the layer in which the voids are not formed. 前記空隙が形成された層の総膜厚が25〜45μm、前記空隙が形成されていない層の総膜厚が5〜25μmであり、前記空隙が形成された層と前記空隙が形成されていない層との総膜厚が50μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The total thickness of the layer in which the void is formed is 25 to 45 μm, the total thickness of the layer in which the void is not formed is 5 to 25 μm, and the layer in which the void is formed and the void is not formed The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein a total film thickness with the layer is 50 µm or less. 前記触媒層に含まれる高分子電解質の濃度が、隣接する前記ガス拡散層から前記高分子電解質膜の方向に増加している、請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the concentration of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer increases in the direction from the adjacent gas diffusion layer to the polymer electrolyte membrane. . 請求項1〜6のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように配置された、1対のセパレータと、を有する固体高分子型燃料電池。
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 6,
A solid polymer fuel cell comprising: a pair of separators disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly.
前記空隙が形成された層における空隙率が、前記空隙が形成された層に供給されるガスが流通する前記セパレータのガス流路のガス流入部からガス排出部への方向にかけて増加している、請求項7に記載の固体高分子型燃料電池。   The porosity of the layer in which the voids are formed increases from the gas inflow portion to the gas discharge portion of the gas flow path of the separator through which the gas supplied to the layer in which the voids are formed flows. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7. 前記ガス流入部に対応する部位における空隙率が、隣接する前記空隙が形成されていない層の空隙率の1.5〜2.0倍であり、
前記ガス排出部に対応する部位における空隙率が、隣接する前記空隙が形成されていない層の空隙率の2.5〜3.0倍である、請求項8に記載の固体高分子型燃料電池。
The porosity at the site corresponding to the gas inflow portion is 1.5 to 2.0 times the porosity of the layer in which the adjacent void is not formed,
9. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 8, wherein a porosity in a portion corresponding to the gas discharge portion is 2.5 to 3.0 times a porosity of a layer in which the adjacent void is not formed. .
請求項7〜9のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池を搭載する車両。   A vehicle on which the polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 7 to 9 is mounted. ガスの供給を促進するための空隙が形成された層と、ガスの供給を促進するための空隙が形成されていない層とからなる、固体高分子型燃料電池の触媒層を有する膜電極接合体の製造方法であって、
発泡剤を含むスラリーを塗布および乾燥することによって、前記空隙が形成された層を形成する段階と、
発泡剤を含まないスラリーを塗布および乾燥することによって、前記空隙が形成されていない層を形成する段階とを含む、膜電極接合体の製造方法。
Membrane electrode assembly having a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, comprising a layer in which a gap for promoting gas supply is formed and a layer in which no gap for promoting gas supply is formed A manufacturing method of
Applying and drying a slurry containing a blowing agent to form a layer in which the voids are formed;
Forming a layer in which the voids are not formed by applying and drying a slurry containing no foaming agent, and a method for producing a membrane electrode assembly.
前記空隙が形成された層を形成する段階は、発泡剤を含むスラリーを、ガス拡散層上に塗布および乾燥する段階であり、
前記空隙が形成されていない層を形成する段階は、発泡剤を含まない触媒層形成用スラリーを、撥水性基材上に塗布および乾燥し、形成された塗膜を高分子電解質膜上にホットプレスにより転写する段階である、請求項11に記載の膜電極接合体の製造方法。
The step of forming the layer in which the voids are formed is a step of applying and drying a slurry containing a foaming agent on the gas diffusion layer,
In the step of forming a layer in which no voids are formed, a slurry for forming a catalyst layer containing no foaming agent is applied and dried on a water-repellent substrate, and the formed coating film is hot-coated on the polymer electrolyte membrane. The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 11, wherein the membrane electrode assembly is transferred by a press.
前記空隙が形成された層を形成する段階は、発泡剤の種類または発泡剤の配合量が異なる2種以上のスラリーを塗布および乾燥することによって、空隙率が異なる2以上の部位からなる層を形成する段階である、請求項11または12に記載の膜電極接合体の製造方法。   The step of forming the layer in which the voids are formed is performed by applying and drying two or more kinds of slurries having different kinds of foaming agents or blending amounts of the foaming agents, and drying a layer composed of two or more parts having different porosity. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 11 or 12 which is a step of forming.
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