JP2006338939A - Electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents

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創平 須賀
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伸司 山本
Shunsuke Oki
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Atsushi Oma
敦史 大間
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裕行 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane-electrode assembly in which increase in volume of a cell and a stack, and reduction in power generation performance caused accompanying complication in a configuration of an MEA can be suppressed to the minimum. <P>SOLUTION: The assembly has a cathode catalyst layer formed on one surface of a polyelectrolyte membrane, an anode catalyst layer formed on the other surface, and a first gasket layer formed on at least one part of the end of the cathode catalyst layer. The thicknesses of one or more kinds selected from the group consisting of the polyelectrolyte membrane, the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, and the first gasket layer are formed to be thinner than those of the other sites of the assembly at the overlapping site so that at least the thickness of the assembly at a site where the cathode catalyst layer and the first gasket layer are overlapped with each other becomes approximately equal to that of the assembly at an existing part of the first gasket layer where the cathode catalyst layer and the first gasket layer are not overlapped with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。特に、本発明は、アイドル停止運転を想定したOCV(Open Circuit Voltage)保持時の電解質膜の分解が抑制され、好ましくは起動停止/連続運転におけるカソード触媒の腐食も抑制される電解質膜−電極接合体(MEA)に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), and more particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell. In particular, the present invention is an electrolyte membrane-electrode junction in which decomposition of the electrolyte membrane during OCV (Open Circuit Voltage) holding assuming idling stop operation is suppressed, and corrosion of the cathode catalyst is preferably suppressed during start / stop / continuous operation. It relates to the body (MEA).

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、ガス拡散層さらにはセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものである。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. The electrolyte membrane-electrode assembly is obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers.

上記したようなMEAを有する固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the MEA as described above, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e ). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a side of the electrode catalyst layer different from the polymer electrolyte membrane, a separator, and an external circuit. To reach the cathode side electrocatalyst layer. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

このような固体高分子型燃料電池では、従来様々な問題があった。例えば、アイドル停止(OCV:Open Circuit Voltage)状態における電解質膜の劣化の問題がある。この劣化メカニズムを図1を参照しながら説明する。すなわち、電解質膜は完全にガスを遮断(不透過状態)するものではないため、酸素や水素ガスの濃度勾配(分圧)によっては、アノード側からカソード側に向かって水素が、カソード側からアノード側に向かって酸素や窒素が、僅かながら透過(溶解拡散)している(このような現象を「クロスリーク」とも称する)。特にOCV時は、カソードと電解質膜の界面における酸素濃度は、発電時に比べて高いため、電解質膜を介してカソード側からアノード側へ溶解拡散する酸素量も、発電時に比べて多くなる。このため、クロスリークにより酸素がカソード側からアノード側へ移行して、酸素がアノード側で水素と直接反応して、H+O→Hの反応が起こって、過酸化水素(H)が生成し、また、水素がアノード側からカソード側へ移行して、水素がカソード側で酸素と直接反応して、同様にして過酸化水素が生成する。この過酸化水素は、電解質膜またはアノード若しくはカソードに含まれる電解質成分(アイオノマー)を分解して、電解質膜を化学的に劣化させることが知られている。ここで、アノード触媒層とカソード触媒層の電位と過酸化水素の分解反応との関係を考慮すると、電解質電位に対して電位が比較的高い(0.6〜1V程度)カソード側では、カソード近傍の酸素と、アノード触媒層よりクロスリークしてきた水素が直接反応するため、生成する過酸化水素は、H→O+2H+2eの反応によって、比較的速やかに酸素とプロトンとに分解する。これに対して、アノード側では、電位が低いために上記したような過酸化水素の分解反応は生じにくい。このため、アノード側で多く発生する過酸化水素が、濃度拡散により電解質膜中に移動して、電解質膜を酸化劣化させたり、あるいは電解質膜中のカチオン(例えば、Fe2+、Cu2+)の存在により加速的に電解質膜成分を劣化させる。 Conventionally, such a polymer electrolyte fuel cell has various problems. For example, there is a problem of deterioration of the electrolyte membrane in an idle stop (OCV: Open Circuit Voltage) state. This deterioration mechanism will be described with reference to FIG. That is, since the electrolyte membrane does not completely block the gas (impermeability state), depending on the concentration gradient (partial pressure) of oxygen or hydrogen gas, hydrogen flows from the anode side to the cathode side, and from the cathode side to the anode side. Oxygen and nitrogen are slightly permeated (dissolved and diffused) toward the side (this phenomenon is also referred to as “cross leak”). In particular, at the time of OCV, the oxygen concentration at the interface between the cathode and the electrolyte membrane is higher than that at the time of power generation. Therefore, the amount of oxygen that dissolves and diffuses from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane is also larger than at the time of power generation. For this reason, oxygen moves from the cathode side to the anode side due to cross leak, and oxygen reacts directly with hydrogen on the anode side, causing a reaction of H 2 + O 2 → H 2 O 2 , resulting in hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated, hydrogen is transferred from the anode side to the cathode side, and hydrogen directly reacts with oxygen on the cathode side to similarly generate hydrogen peroxide. It is known that this hydrogen peroxide decomposes the electrolyte component (ionomer) contained in the electrolyte membrane or the anode or cathode to chemically deteriorate the electrolyte membrane. Here, considering the relationship between the potential of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer and the decomposition reaction of hydrogen peroxide, the potential is relatively high (about 0.6 to 1 V) with respect to the electrolyte potential. The hydrogen peroxide that cross-leaked from the anode catalyst layer directly reacts with the oxygen of the anode, so that the hydrogen peroxide that is produced becomes oxygen and proton relatively quickly by the reaction of H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e −. Decompose. On the other hand, since the potential is low on the anode side, the above-described decomposition reaction of hydrogen peroxide hardly occurs. For this reason, hydrogen peroxide generated frequently on the anode side moves into the electrolyte membrane due to concentration diffusion, oxidatively degrades the electrolyte membrane, or the presence of cations (eg, Fe 2+ , Cu 2+ ) in the electrolyte membrane. As a result, the electrolyte membrane components are deteriorated at an accelerated rate.

ところで、MEAのエッジ領域をシールすることが、特許文献1および2に記載されている。特許文献1には、固体高分子電解質膜外縁部の機械的強度を高めて固体高分子電解質膜の破損を防止する目的で、固体高分子電解質膜の電極周縁部と電極の配置されない固体高分子電解質膜の外縁部とを補強膜で被覆し、さらにガスシール部を固体高分子電解質膜の外縁部に配置することが記載されている。また、特許文献2には、固体高分子電解質膜に加わる反応ガスの差圧や機械的ストレスによる固体高分子電解質膜の破損を防止する目的で、額縁状の保護膜を、ガスシール材及び電極周縁部双方を被覆するように固体高分子電解質膜の周縁部分に形成することが記載されている。
特開平5−242897号公報 特開平5−21077号公報
Incidentally, sealing of the edge region of the MEA is described in Patent Documents 1 and 2. Patent Document 1 discloses a solid polymer in which the electrode peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane and the electrode are not arranged for the purpose of preventing the damage of the solid polymer electrolyte membrane by increasing the mechanical strength of the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane. It is described that the outer edge portion of the electrolyte membrane is covered with a reinforcing membrane, and the gas seal portion is disposed on the outer edge portion of the solid polymer electrolyte membrane. Patent Document 2 discloses a frame-shaped protective film, a gas sealing material and an electrode for the purpose of preventing damage to the solid polymer electrolyte film due to differential pressure of reaction gas applied to the solid polymer electrolyte film or mechanical stress. It describes that it forms in the peripheral part of a solid polymer electrolyte membrane so that both peripheral parts may be coat | covered.
JP-A-5-2442897 Japanese Patent Laid-Open No. 5-21077

しかしながら、特許文献1および2では、固体高分子電解質膜外縁部の機械的強度の向上を目的としており、これらの特許文献に記載されるような構造では、上記したような電解質膜の分解の抑制については考慮に入れていないため、受ける機械的応力の比較的大きい電解質膜の部位が比較的短時間で分解劣化し、耐久性が低下するという問題は充分に解消できない。また、特に特許文献1に開示されるMEAでは、均一な厚さの補強層が触媒層と重複するように形成されている。しかしながら、かような重複部分はMEAの厚みを増加させる原因となって燃料電池セル及びスタックの体積増加を招くばかりか、触媒層やガス拡散層の平滑性を低下させて発電性能を低下させるおそれもある。   However, Patent Documents 1 and 2 aim to improve the mechanical strength of the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane. In the structures described in these Patent Documents, the decomposition of the electrolyte membrane as described above is suppressed. Is not taken into consideration, and therefore, the problem that the portion of the electrolyte membrane subjected to a relatively large mechanical stress undergoes decomposition and degradation in a relatively short time and the durability deteriorates cannot be solved sufficiently. In particular, in the MEA disclosed in Patent Document 1, a reinforcing layer having a uniform thickness is formed so as to overlap the catalyst layer. However, such overlapping portions not only increase the volume of the MEA and cause an increase in the volume of the fuel cell and the stack, but also reduce the smoothness of the catalyst layer and the gas diffusion layer to reduce the power generation performance. There is also.

さらに、上記問題は、比較的最近提起されたものであり、現在、解決手段が強く望まれているものの、有効な解決手段が見出されていない。   Furthermore, the above-mentioned problem has been raised relatively recently. At present, a solution is strongly desired, but no effective solution has been found.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、MEAの構成の複雑化に伴って生じるセルやスタックの体積増加、及び発電性能の低下を最小限に抑制しうる電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an electrolyte membrane-electrode that can suppress the increase in volume of cells and stacks and the decrease in power generation performance that are caused by the complexity of the MEA configuration. An object is to provide a joined body.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行なった結果、カソード触媒層の端部、好ましくはカソード触媒層及びアノード触媒層の端部にガスケット層を形成することによって、アノード触媒層及びカソード触媒層の大きさを容易に制御できると共に各触媒層の位置合わせが容易であることを見出した。また特に、上記構成をとることによって、高分子電解質膜を介して対向するカソード触媒層が存在せず、アノード触媒層のみが存在する周囲部をガス不透過性のガスケット層でシールして、特にカソード触媒層端部で顕著に起こっていたカソードからアノードへの酸素のクロスリークを抑制して、当該領域でのアノード側での過酸化水素の生成を有意に抑えることができ、これにより電解質膜の劣化を効果的に防止/抑制することができることを見出した。この際、アノード触媒層のサイズをカソード触媒層より大きくすることによって、カソード触媒層のカーボンの腐食を効果的に防止/抑制することができることをも見出した。さらに、上記のような構成のMEAを製造する際に、MEAの各構成要素について、他の層と重複する部位の厚みを制御することによって、上記のような構成とすることにより新たに生じるセルやスタックの体積増加や発電性能の低下といった問題の発生を最小限に抑制しうることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that an anode catalyst is formed by forming a gasket layer at the end of the cathode catalyst layer, preferably at the ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. It has been found that the size of each layer and the cathode catalyst layer can be easily controlled, and that the alignment of each catalyst layer is easy. Further, in particular, by taking the above-described configuration, there is no cathode catalyst layer facing through the polymer electrolyte membrane, and the periphery where only the anode catalyst layer is present is sealed with a gas-impermeable gasket layer. Oxygen cross-leak from the cathode to the anode, which has occurred remarkably at the end of the cathode catalyst layer, can be suppressed, and the production of hydrogen peroxide on the anode side in the region can be significantly suppressed. It has been found that deterioration of can be effectively prevented / suppressed. At this time, it has also been found that by making the size of the anode catalyst layer larger than that of the cathode catalyst layer, carbon corrosion of the cathode catalyst layer can be effectively prevented / suppressed. Further, when the MEA having the above-described configuration is manufactured, a cell newly generated by adopting the above-described configuration by controlling the thickness of each component of the MEA that overlaps with other layers. The inventors have found that problems such as an increase in stack volume and a decrease in power generation performance can be suppressed to a minimum, and the present invention has been completed.

すなわち、上記目的は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、を有し、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層とが重複しない前記第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記高分子電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記第一のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体によって達成される。   That is, the object is to provide a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one side of the polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer formed on the other side of the polymer electrolyte membrane, A first gasket layer formed on at least a part of an end of the cathode catalyst layer, and a thickness of an electrolyte membrane-electrode assembly at an overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer Is approximately equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly where the first gasket layer does not overlap the cathode catalyst layer and the first gasket layer. One or two or more thicknesses selected from the group consisting of a catalyst layer, the anode catalyst layer, and the first gasket layer are formed to be thinner than the other portions of the overlapping portion. Electrolyte membrane - is achieved by the electrode assembly.

また、上記目的は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、前記アノード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第二のガスケット層と、を有し、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層とが重複しない前記第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、かつ、前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層とが重複しない前記第二のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記高分子電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、前記第一のガスケット層、および前記第二のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体によっても達成される。   Further, the object is to provide a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane, A first gasket layer formed on at least a part of the end of the cathode catalyst layer; and a second gasket layer formed on at least a part of the end of the anode catalyst layer, The thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly where the catalyst layer and the first gasket layer overlap is such that the cathode catalyst layer and the first gasket layer do not overlap each other. The thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the overlapping portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer is set to be substantially equal to the thickness of the membrane-electrode assembly, and the thickness of the anode catalyst layer and the second electrode layer. Gasket The polymer electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, the first catalyst layer, and the first catalyst layer so as to be substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the site where the second gasket layer does not overlap the layer. An electrolyte membrane-electrode assembly in which one or two or more thicknesses selected from the group consisting of the gasket layer and the second gasket layer are formed thinner than the other portions of the overlap portion. Is also achieved.

本発明によれば、構成の複雑化に起因する体積増加や発電性能の低下といった問題の発生を最小限に抑制しつつ、OCV保持時の電解質膜の分解を有効に防止/抑制しうる電解質膜−電極接合体が提供されうる。   According to the present invention, an electrolyte membrane capable of effectively preventing / suppressing the decomposition of the electrolyte membrane at the time of holding the OCV while minimizing the occurrence of problems such as an increase in volume and a decrease in power generation performance due to a complicated configuration. -An electrode assembly may be provided.

本発明の第一は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、を有し、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層とが重複しない前記第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記高分子電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記第一のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体である。   The first of the present invention is a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane, A first gasket layer formed on at least a part of an end of the cathode catalyst layer, and an electrolyte membrane-electrode assembly at an overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer. The polymer electrolyte membrane, the thickness is substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly where the first gasket layer does not overlap the cathode catalyst layer and the first gasket layer. One or two or more thicknesses selected from the group consisting of the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, and the first gasket layer are formed to be thinner than the other portions of the overlap portion. Electrolytes - an electrode assembly.

まず、本発明の電解質膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する。)は、従来のMEAと同様に、高分子電解質膜と、当該膜の一方の面に形成されたカソード触媒層と、他方の面に形成されたアノード触媒層とを有するが、当該カソード触媒層の端部の少なくとも一部に、第一のガスケット層が形成されている点に特徴を有する。かようなガスケット層の存在により、カソード側からの酸素のクロスリークが特に顕著に起こるカソード触媒層が存在しないあるいはこのようなカソード触媒層領域を有意に低減できる。したがって、本発明のMEAは、カソード触媒層のみが存在する周囲部がほとんどまたは全く存在せず、カソード触媒層端部でのカソードからアノードへの酸素のクロスリークがほとんどまたは全く起こらない構造をとることができる。したがって、従来重大な問題となっていた電解質膜の劣化が効果的に防止/抑制されうる。したがって、本発明の電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池は、OCV時の性能を長期間維持でき、また、燃費も向上できる。なお、本明細書では、このカソード触媒層の端部に形成されるガスケット層を、単に「第一のガスケット層」と称する。ここで、「触媒層の端部にガスケット層を形成する」とは、当該触媒層と当該ガスケット層とが接合体の厚み方向に対して重複することを意味する。   First, an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter also simply referred to as “MEA”) according to the present invention includes a polymer electrolyte membrane and a cathode catalyst formed on one surface of the membrane, similarly to a conventional MEA. And the anode catalyst layer formed on the other surface, characterized in that a first gasket layer is formed on at least a part of the end of the cathode catalyst layer. Due to the presence of such a gasket layer, there is no cathode catalyst layer at which oxygen cross-leak from the cathode side is particularly noticeable, or such a cathode catalyst layer region can be significantly reduced. Therefore, the MEA of the present invention has a structure in which there is little or no periphery where only the cathode catalyst layer exists, and little or no oxygen cross-leak from the cathode to the anode at the end of the cathode catalyst layer occurs. be able to. Therefore, deterioration of the electrolyte membrane, which has been a serious problem in the past, can be effectively prevented / suppressed. Therefore, the fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can maintain the performance during OCV for a long period of time, and can improve fuel efficiency. In the present specification, the gasket layer formed at the end of the cathode catalyst layer is simply referred to as “first gasket layer”. Here, “form a gasket layer at the end of the catalyst layer” means that the catalyst layer and the gasket layer overlap in the thickness direction of the joined body.

また、本発明のMEAは、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、カソード触媒層と第一のガスケット層とが重複しない第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、高分子電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層、および第一のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成される点にも特徴を有する。かような形態によれば、MEAの面方向の厚みの均一化が図られ、ガスケット層の配置などのような構成の複雑化に起因する体積増加が抑制されうる。また、MEAの触媒層などの平滑性の低下が抑制され、これに伴う発電性能の低下もまた、最小限に抑制されうる。なお、かような形態を実現するための具体的な構成については、後述する。   The MEA of the present invention is the first gasket layer in which the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is such that the cathode catalyst layer and the first gasket layer do not overlap. 1 type or 2 types selected from the group which consists of a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, and a 1st gasket layer so that it may become substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane electrode assembly of the presence site of The above thickness is also characterized in that the overlapping part is formed thinner than its own other part. According to such a configuration, the thickness of the MEA in the surface direction can be made uniform, and an increase in volume due to the complicated configuration such as the arrangement of the gasket layer can be suppressed. Moreover, the smoothness fall of the catalyst layer etc. of MEA is suppressed and the fall of the power generation performance accompanying this can also be suppressed to the minimum. A specific configuration for realizing such a form will be described later.

なお、本発明のMEAにおいては、図5以降に示すように、アノード触媒層側の端部の少なくとも一部にもガスケット層をさらに形成することが好ましい。このように、アノード触媒層側の端部にもガスケット層を形成することで、MEAにおけるクロスリークガスをより確実に低減させることができ、過酸化水素の生成を抑制することが可能となる。これにより、過酸化水素による高分子電解質膜および触媒層に含まれる電解質成分の劣化をより高く防止/抑制することができ、かようなMEAを用いた燃料電池は、起動停止/連続運転時及びOCV時の性能をより長期間維持でき耐久性に優れ、燃費もより向上させることができる。なお、本明細書では、このアノード触媒層の端部に形成されるガスケット層を、単に「第二のガスケット層」と称する。ただし、かような第二のガスケット層がアノード触媒層の端部に形成される形態のみに本発明の技術的範囲が限定されることはなく、場合によっては、MEAの厚み方向に対してアノード触媒層と重複しないように(アノード触媒層の周囲部に)第二のガスケット層が形成される形態もまた、採用されうる。   In the MEA of the present invention, as shown in FIG. 5 and subsequent drawings, it is preferable to further form a gasket layer on at least a part of the end portion on the anode catalyst layer side. Thus, by forming the gasket layer also at the end on the anode catalyst layer side, the cross leak gas in the MEA can be more reliably reduced, and the production of hydrogen peroxide can be suppressed. Thereby, deterioration of the electrolyte component contained in the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer due to hydrogen peroxide can be prevented / suppressed to a higher degree, and the fuel cell using such an MEA can be used during start / stop / continuous operation and The performance at the time of OCV can be maintained for a longer period of time, the durability is excellent, and the fuel consumption can be further improved. In the present specification, the gasket layer formed at the end of the anode catalyst layer is simply referred to as “second gasket layer”. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the form in which the second gasket layer is formed at the end portion of the anode catalyst layer. A form in which the second gasket layer is formed so as not to overlap with the catalyst layer (around the anode catalyst layer) can also be adopted.

上記のようにアノード触媒層の端部に第二のガスケット層が配置される場合には、第一のガスケット層について上述したのと同様の思想から、アノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、アノード触媒層と第二のガスケット層とが重複しない第二のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、高分子電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層、第一のガスケット層、および前記第二のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されるとよい。すなわち、本発明の第二は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、前記アノード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第二のガスケット層と、を有し、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層とが重複しない前記第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、かつ、前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層とが重複しない前記第二のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記高分子電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、前記第一のガスケット層、および前記第二のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体である。かような形態によれば、上記と同様にMEAの面方向の厚みの均一化が図られ、ガスケット層の配置などのような構成の複雑化に起因する体積増加が抑制されうる。また、MEAの触媒層などの平滑性の低下が抑制され、これに伴う発電性能の低下もまた、最小限に抑制されうる。なお、かような形態を実現するための具体的な構成についても、後述する。   When the second gasket layer is disposed at the end of the anode catalyst layer as described above, the anode catalyst layer and the second gasket layer are separated from the same idea as described above for the first gasket layer. The thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the overlapping site is substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the site of the second gasket layer where the anode catalyst layer and the second gasket layer do not overlap. One or two or more thicknesses selected from the group consisting of a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, a first gasket layer, and the second gasket layer may have other thicknesses in the overlapping portion. It is good to form thinner than this part. That is, the second of the present invention is a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane, and an anode catalyst formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane. A first gasket layer formed on at least a part of the end of the cathode catalyst layer, and a second gasket layer formed on at least a part of the end of the anode catalyst layer. The presence of the first gasket layer is such that the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer does not overlap the cathode catalyst layer and the first gasket layer. And the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the overlapping portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer is substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the site. Said second The polymer electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, and the first catalyst so as to be substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly where the second gasket layer does not overlap with the sket layer. 1 or 2 or more types of thickness selected from the group which consists of said gasket layer and said 2nd gasket layer are formed thinner than the other site | part in the said overlap part, Electrolyte membrane-electrode joining Is the body. According to such a form, the thickness of the MEA in the surface direction can be made uniform in the same manner as described above, and an increase in volume due to the complicated configuration such as the arrangement of the gasket layer can be suppressed. Moreover, the smoothness fall of the catalyst layer etc. of MEA is suppressed and the fall of the power generation performance accompanying this can also be suppressed to the minimum. A specific configuration for realizing such a configuration will also be described later.

本発明のMEAに用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、後述する電極触媒層に用いるものと同様の固体高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のNafion(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜が用いられうる。また、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。前記高分子電解質膜に用いられる固体高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる固体高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。   The polymer electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same solid polymer electrolyte as that used for the electrode catalyst layer described later. In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Solid polymer electrolyte membranes that are generally commercially available, such as fluorine-based polymer electrolytes such as resin membranes based on styrene and hydrocarbon-based resin membranes having sulfonic acid groups, can be used. Further, a porous thin film formed of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like may be used in which an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid is impregnated. The solid polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the adhesiveness, it is preferable to use the same one.

前記高分子電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.

ここで、高分子電解質膜のそれぞれの側に形成される各触媒層の面積についても特に制限はない。ただし、従来の固体高分子型燃料電池では、運転を停止して数時間以上放置すると、触媒層には空気が混入する。かような状態で起動すると、図2の前段から後段への変化で示されるように、アノードの上流(水素供給側)から下流(空気雰囲気)にかけて局部電池が形成される。そして、アノード触媒層とカソード触媒層との形成部位(電解質膜−電極接合体の厚み方向に対する)が完全に一致せずに位置ずれが生じている状態でかような局部電池が形成されると、アノードが対向しないカソード領域で特にカソード電位と電解質電位との差が大きくなり、アノードが存在する領域(中央部)に比べて、導電性担体であるカーボンの腐食(C+2HO→CO+4H+4e)が起こり、触媒活性の低下が顕著に現れてしまう(図3を参照)。 Here, the area of each catalyst layer formed on each side of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited. However, in the conventional polymer electrolyte fuel cell, if the operation is stopped and left for several hours or more, air is mixed into the catalyst layer. When activated in such a state, a local battery is formed from the upstream (hydrogen supply side) to the downstream (air atmosphere) of the anode, as shown by the change from the front stage to the rear stage in FIG. Then, when such a local battery is formed in a state where the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are not completely coincided with each other in the position where the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are formed (with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly). The difference between the cathode potential and the electrolyte potential is particularly large in the cathode region where the anode is not opposed, and the corrosion of the carbon which is the conductive carrier (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H) as compared with the region where the anode is present (center portion). ++ 4e ) occurs, and the catalytic activity is significantly reduced (see FIG. 3).

本発明のMEAにおいて各触媒層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように形成されることが好ましい。かような形態によれば、アノード下流の空気存在部に対向するカソード触媒層領域の面積を低減できる、即ち、カソード電位と電解質電位との差が大きい部分を有意に低減できるため、カソード触媒層のカーボンの腐食を効果的に防止/抑制できるという利点をも得ることができる。   In the MEA of the present invention, each catalyst layer is preferably formed such that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer. According to such a configuration, the area of the cathode catalyst layer region facing the air existing portion downstream of the anode can be reduced, that is, the portion where the difference between the cathode potential and the electrolyte potential is large can be significantly reduced. It is also possible to obtain the advantage of effectively preventing / suppressing the corrosion of carbon.

この際、有効アノード有効触媒層と有効カソード触媒層の位置関係は、特に制限されないが、図4(a)のように、MEAの厚み方向に対して、有効アノード触媒層内に有効カソード触媒層が完全に含まれる場合;図4(b)のように、MEAの厚み方向に対して、有効カソード触媒層が部分的に有効アノード触媒層内に含まれる場合のいずれであってもよいが、前者の場合がより好ましい。同様にして、各触媒層の位置関係に関しても、特に制限されないが、図4(a)のように、MEAの厚み方向に対して、アノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合;図4(b)のように、MEAの厚み方向に対して、カソード触媒層が部分的にアノード触媒層内に含まれる場合;図4(c)のように、MEAの厚み方向に対して、カソード触媒層がアノード触媒層と同位置に配置される場合のいずれであってもよいが、カソード触媒層がアノード触媒層と同位置に配置される場合及びアノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合がより好ましく、アノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合が特に好ましい。なお、本明細書では、面積とは幾何学的な面積を意味し、触媒等の表面積を意味するわけではない。   At this time, the positional relationship between the effective anode effective catalyst layer and the effective cathode catalyst layer is not particularly limited. However, as shown in FIG. 4A, the effective cathode catalyst layer in the effective anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA. In which the effective cathode catalyst layer is partially included in the effective anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. The former case is more preferable. Similarly, the positional relationship of each catalyst layer is not particularly limited, but when the cathode catalyst layer is completely included in the anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. 4A; When the cathode catalyst layer is partially included in the anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. 4B; with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. The cathode catalyst layer may be disposed at the same position as the anode catalyst layer. However, when the cathode catalyst layer is disposed at the same position as the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer is completely within the anode catalyst layer. It is more preferable that the cathode catalyst layer is completely contained in the anode catalyst layer. In the present specification, the area means a geometric area and does not mean a surface area of a catalyst or the like.

本明細書において、「有効アノード触媒層」とは、アノード触媒層のうち、運転(発電)時に2H→4H+4eの反応が起こる領域を意味し、具体的には、ガスケット層と重複しないアノード触媒層領域であり、単に「アノード触媒層」と称する場合には、高分子電解質膜上に形成されたすべてのアノード触媒層を意味し、即ち、上記有効アノード触媒層に加えて、第二のガスケット層との重複部分をも含む。 In the present specification, the “effective anode catalyst layer” means a region in the anode catalyst layer where a reaction of 2H 2 → 4H + + 4e occurs during operation (power generation), and specifically, overlaps with the gasket layer. The anode catalyst layer region, which is simply referred to as the “anode catalyst layer” means all anode catalyst layers formed on the polymer electrolyte membrane, that is, in addition to the effective anode catalyst layer, It also includes an overlap with the second gasket layer.

また、本明細書において、「有効カソード触媒層」とは、カソード触媒層のうち、運転(発電)時にO+4H+4e→2HOの反応が起こる領域を意味し、具体的には、ガスケット層と重複しないカソード触媒層領域であり、単に「カソード触媒層」と称する場合には、高分子電解質膜上に形成されたすべてのカソード触媒層を意味し、上記有効カソード触媒層に加えて、第一のガスケット層との重複部分をも含む。従って、アノード触媒層の端部と第二のガスケット層とが重複しない場合には、「アノード触媒層の面積」と「有効アノード触媒層の面積」とは等しい。 Further, in this specification, the “effective cathode catalyst layer” means a region in the cathode catalyst layer where O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O reaction occurs during operation (power generation), specifically, The cathode catalyst layer region that does not overlap with the gasket layer, and simply referred to as “cathode catalyst layer” means all cathode catalyst layers formed on the polymer electrolyte membrane, in addition to the effective cathode catalyst layer. And an overlapping portion with the first gasket layer. Therefore, when the end portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer do not overlap, the “area of the anode catalyst layer” and the “area of the effective anode catalyst layer” are equal.

本発明において、カソード触媒層の端部と第一のガスケット層との位置関係は、カソード触媒層の端部でのガスの透過を十分抑制できるような関係であれば特に制限されない。例えばカソード触媒層の端部が第一のガスケット層により被覆されてもよいし(図5に示す形態)、第一のガスケット層の端部がカソード触媒層により被覆されてもよい(図6に示す形態)。図5に示す形態によれば、より簡便にMEAが製造されうる。ただし、触媒層の端部が高分子電解質膜へ食い込むことによる短絡の発生をより確実に防止するという観点からは、さらに好ましくは、図6に示すように、第一のガスケット層がカソード触媒層の端部によって被覆されるように、第一のガスケット層が形成される。なお、本発明において、第一のガスケット層は、電解質膜の周辺部の少なくとも一部を被覆するよう形成されるが、アノード触媒層の端部での水素のクロスリーク抑制に伴う燃費向上の観点から、周辺部のガスシール性が保たれていることが好ましく、従って、第一のガスケット層は、電解質膜の全周辺部にわたって額縁状に形成されることが好ましい。   In the present invention, the positional relationship between the end portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is not particularly limited as long as the permeation of gas at the end portion of the cathode catalyst layer can be sufficiently suppressed. For example, the end of the cathode catalyst layer may be covered with a first gasket layer (the form shown in FIG. 5), or the end of the first gasket layer may be covered with a cathode catalyst layer (see FIG. 6). Form shown). According to the form shown in FIG. 5, the MEA can be manufactured more easily. However, from the viewpoint of more reliably preventing the occurrence of a short circuit due to the end portion of the catalyst layer biting into the polymer electrolyte membrane, more preferably, the first gasket layer is a cathode catalyst layer as shown in FIG. A first gasket layer is formed so as to be covered by the ends of the first gasket layer. In the present invention, the first gasket layer is formed so as to cover at least a part of the peripheral portion of the electrolyte membrane. From the viewpoint of improving fuel consumption accompanying suppression of hydrogen cross-leakage at the end of the anode catalyst layer. Therefore, it is preferable that the gas sealability of the peripheral portion is maintained, and therefore the first gasket layer is preferably formed in a frame shape over the entire peripheral portion of the electrolyte membrane.

本発明では、第一のガスケット層をカソード触媒層の端部に形成することを必須の構成要件とするが、アノード触媒層側の端部にもガスケット層をさらに形成することが好ましいことは上述した通りである。このように、アノード触媒層側の端部にもガスケット層を形成することで、有効カソード触媒層と有効アノード触媒層との位置合わせが正確にかつ容易に行なえ、起動停止/連続運転中のカソード触媒のカーボン担体の腐食やOCV保持時の電解質膜の分解が有効に防止/抑制できるからである。なお、本明細書では、このアノード触媒層の端部に形成されるガスケット層を、単に「第二のガスケット層」と称する。   In the present invention, it is essential to form the first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer, but it is preferable that a gasket layer is further formed at the end of the anode catalyst layer. That's right. Thus, by forming a gasket layer also at the end on the anode catalyst layer side, the effective cathode catalyst layer and the effective anode catalyst layer can be accurately and easily aligned, and the cathode during start / stop / continuous operation can be obtained. This is because corrosion of the carbon support of the catalyst and decomposition of the electrolyte membrane during OCV retention can be effectively prevented / suppressed. In the present specification, the gasket layer formed at the end of the anode catalyst layer is simply referred to as “second gasket layer”.

アノード触媒層の端部と第二のガスケット層との位置関係についても、アノード触媒層の端部でのガスの透過を十分抑制できるような関係であれば特に制限されない。例えばアノード触媒層の端部が第二のガスケット層により被覆されてもよいし(図5に示す形態)、第二のガスケット層の端部がアノード触媒層により被覆されてもよい(図6に示す形態)。図5に示す形態によれば、より簡便にMEAが製造されうる。ただし、触媒層の端部が高分子電解質膜へ食い込むことによる短絡の発生をより確実に防止するという観点からは、さらに好ましくは、図6に示すように、第二のガスケット層がアノード触媒層の端部によって被覆されるように、第二のガスケット層が形成される。なお、本発明において、第二のガスケット層は、電解質膜の周辺部の少なくとも一部を被覆するよう形成されるが、アノード触媒層の端部での水素のクロスリーク抑制に伴う燃費向上の観点から、周辺部のガスシール性が保たれていることが好ましく、従って、第二のガスケット層は、電解質膜の全周辺部にわたって額縁状に形成されることが好ましい。   The positional relationship between the end portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer is not particularly limited as long as the permeation of gas at the end portion of the anode catalyst layer can be sufficiently suppressed. For example, the end of the anode catalyst layer may be covered with the second gasket layer (the form shown in FIG. 5), or the end of the second gasket layer may be covered with the anode catalyst layer (see FIG. 6). Form shown). According to the form shown in FIG. 5, the MEA can be manufactured more easily. However, from the viewpoint of more reliably preventing the occurrence of a short circuit due to the end of the catalyst layer biting into the polymer electrolyte membrane, more preferably, the second gasket layer is an anode catalyst layer as shown in FIG. A second gasket layer is formed so as to be covered by the ends of the first gasket layer. In the present invention, the second gasket layer is formed so as to cover at least a part of the periphery of the electrolyte membrane. From the viewpoint of improving the fuel consumption accompanying the suppression of hydrogen cross-leak at the end of the anode catalyst layer. Therefore, it is preferable that the gas sealability of the peripheral part is maintained, and therefore the second gasket layer is preferably formed in a frame shape over the entire peripheral part of the electrolyte membrane.

本発明のMEAは、上述したように、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、カソード触媒層と第一のガスケット層とが重複しない第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、高分子電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層、および第一のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成される点に特徴を有する。また、より好ましい形態においては、アノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位に関しても同様の工夫が施されている。以下、図面を参照しながら、第一のガスケット層に加えて第二のガスケット層が配置される形態を例に挙げて本発明の特徴的な構成を説明するが、第二のガスケット層が配置されるMEAのみに本発明の技術的範囲が限定されるわけではないことは勿論である。なお、以下の図面では、説明の簡略化のために各構成要素が分離した形で図示されているが、完成したMEAにおいては各構成要素がMEAの厚み方向に接合していることは言うまでもない。   In the MEA of the present invention, as described above, the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is such that the cathode catalyst layer and the first gasket layer do not overlap. One type selected from the group consisting of a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, and a first gasket layer so as to be approximately equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the site where the gasket layer is present Alternatively, it is characterized in that two or more kinds of thicknesses are formed thinner than other portions of the overlapping portion. Further, in a more preferable embodiment, the same device is applied to the overlapping portion between the anode catalyst layer and the second gasket layer. Hereinafter, the characteristic configuration of the present invention will be described with reference to the drawings, taking as an example a form in which the second gasket layer is disposed in addition to the first gasket layer. It goes without saying that the technical scope of the present invention is not limited to only the MEA to be used. In the following drawings, each component is illustrated in a separated form for the sake of simplification. Needless to say, each component is joined in the thickness direction of the MEA in the completed MEA. .

本発明のMEAの好ましい形態としては、図5に示す形態がある。図5に示す形態のMEAにおいては、第一のガスケット層が第一のガス不透過層と第一の接着剤層とからなっており、前記第一のガス不透過層の厚みが、前記カソード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されており、かつ、第二のガスケット層が第二のガス不透過層と第二の接着剤層とからなっており、前記第二のガス不透過層の厚みが、前記アノード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている。これにより、MEAにおいて、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の厚み、及びアノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位の厚みが、非重複部位の厚みと略等しくなっている。   A preferred form of the MEA of the present invention is the form shown in FIG. In the MEA of the form shown in FIG. 5, the first gasket layer is composed of a first gas impermeable layer and a first adhesive layer, and the thickness of the first gas impermeable layer is the cathode. The overlapping part with the catalyst layer is formed thinner than the other part of itself, and the second gasket layer comprises a second gas-impermeable layer and a second adhesive layer, The thickness of the second gas-impermeable layer is formed to be thinner than the other portions in the overlapping portion with the anode catalyst layer. Thereby, in the MEA, the thickness of the overlapping portion between the cathode catalyst layer and the first gasket layer and the thickness of the overlapping portion between the anode catalyst layer and the second gasket layer are substantially equal to the thickness of the non-overlapping portion. Yes.

なお、図5に示す形態においては、カソード触媒層の端部が第一のガスケット層により被覆されており、かつアノード触媒層の端部が第二のガスケット層により被覆されているが、図6に示すように、第一のガスケット層の端部がカソード触媒層により被覆され、かつ第二のガスケット層の端部がアノード触媒層により被覆されてもよいことは上述した通りである。このことは、後述する他の好ましい形態についても同様である。   In the embodiment shown in FIG. 5, the end of the cathode catalyst layer is covered with the first gasket layer, and the end of the anode catalyst layer is covered with the second gasket layer. As described above, the end of the first gasket layer may be covered with the cathode catalyst layer, and the end of the second gasket layer may be covered with the anode catalyst layer as described above. The same applies to other preferable modes described later.

本発明のMEAの他の好ましい形態としては、図7に示す形態がある。図7に示す形態のMEAにおいては、第一のガスケット層が第一のガス不透過層と第一の接着剤層とからなっており、前記第一のガス不透過層の厚みが、カソード触媒層との非重複部位から重複部位へ向かって連続的に減少するように形成されており、かつ、第二のガスケット層が第二のガス不透過層と第二の接着剤層とからなっており、前記第二のガス不透過層の厚みが、アノード触媒層との非重複部位から重複部位へ向かって連続的に減少するように形成されている。これにより、MEAにおいて、カソード触媒層及び第一のガスケット層の重複部位の厚み、並びにアノード触媒層及び第二のガスケット層の重複部位の厚みと、非重複部位の厚みとの差が低減されている。   Another preferred form of the MEA of the present invention is the form shown in FIG. In the MEA of the form shown in FIG. 7, the first gasket layer is composed of a first gas impermeable layer and a first adhesive layer, and the thickness of the first gas impermeable layer is the cathode catalyst. The second gasket layer is formed of a second gas-impermeable layer and a second adhesive layer. In addition, the thickness of the second gas impermeable layer is formed so as to continuously decrease from the non-overlap portion with the anode catalyst layer toward the overlap portion. As a result, in the MEA, the difference between the thickness of the overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer and the thickness of the overlapping portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer and the thickness of the non-overlapping portion are reduced. Yes.

本発明のMEAのさらに他の好ましい形態としては、図8に示す形態がある。図8に示す形態のMEAにおいては、第一のガスケット層が第一のガス不透過層と第一の接着剤層とからなっており、前記第一の接着剤層の厚みが、前記カソード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されており、かつ、第二のガスケット層が第二のガス不透過層と第二の接着剤層とからなっており、前記第二の接着剤層の厚みが、前記アノード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている。これにより、MEAにおいて、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の厚み、及びアノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位の厚みが、非重複部位の厚みと略等しくなっている。   As still another preferred form of the MEA of the present invention, there is a form shown in FIG. In the MEA shown in FIG. 8, the first gasket layer is composed of a first gas-impermeable layer and a first adhesive layer, and the thickness of the first adhesive layer is the cathode catalyst. The second gasket layer is composed of a second gas-impermeable layer and a second adhesive layer, and the second gasket layer is formed thinner than the other portions of the layer. The thickness of the adhesive layer is formed to be thinner than the other portions in the overlapping portion with the anode catalyst layer. Thereby, in the MEA, the thickness of the overlapping portion between the cathode catalyst layer and the first gasket layer and the thickness of the overlapping portion between the anode catalyst layer and the second gasket layer are substantially equal to the thickness of the non-overlapping portion. Yes.

本発明のMEAのさらに他の好ましい形態としては、図9に示す形態がある。図9に示す形態のMEAにおいては、カソード触媒層の厚みが、第一のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されており、かつ、アノード触媒層の厚みが、第二のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている。これにより、MEAにおいて、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の厚み、及びアノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位の厚みが、非重複部位の厚みと略等しくなっている。   Still another preferred form of the MEA of the present invention is the form shown in FIG. In the MEA of the form shown in FIG. 9, the thickness of the cathode catalyst layer is formed thinner than the other portions of the cathode catalyst layer at the overlapping portion with the first gasket layer, and the thickness of the anode catalyst layer is It is formed thinner than the other part of itself at the overlapping part with the second gasket layer. Thereby, in the MEA, the thickness of the overlapping portion between the cathode catalyst layer and the first gasket layer and the thickness of the overlapping portion between the anode catalyst layer and the second gasket layer are substantially equal to the thickness of the non-overlapping portion. Yes.

本発明のMEAのさらに他の好ましい形態としては、図10に示す形態がある。図10に示す形態のMEAにおいては、高分子電解質膜の厚みが、第一のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されており、かつ、高分子電解質膜の厚みが、第二のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている。これにより、MEAにおいて、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の厚み、及びアノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位の厚みが、非重複部位の厚みと略等しくなっている。   Still another preferred form of the MEA of the present invention is the form shown in FIG. In the MEA in the form shown in FIG. 10, the thickness of the polymer electrolyte membrane is formed thinner than the other portions of the polymer electrolyte membrane at the overlapping portion with the first gasket layer, and the thickness of the polymer electrolyte membrane is In the overlapping part with the second gasket layer, it is formed thinner than the other part of itself. Thereby, in the MEA, the thickness of the overlapping portion between the cathode catalyst layer and the first gasket layer and the thickness of the overlapping portion between the anode catalyst layer and the second gasket layer are substantially equal to the thickness of the non-overlapping portion. Yes.

なお、上記第一及び第二のガスケット層の形成の組み合わせは、特に制限されず、いずれの組み合わせであってもよい。好ましくは、(1)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部で被覆されるようにカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部で被覆されるようにアノード触媒層と高分子電解質膜との間に形成される;(2)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部を被覆するように形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部を被覆するように形成される;または(3)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部で被覆されるようにカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部を被覆するように形成される、の組み合わせが好ましい。上記組み合わせのうち、短絡(アノード/カソード両触媒層の接触)を有効に防止できる及びカーボンの腐食が起こり難いという意味では、アノード触媒層および/またはカソード触媒層と電解質膜との間に、第一または第二のガスケット層の少なくとも一方が挿入されていることが好ましい。この点では、(1)及び(3)の組み合わせが好ましい。また、カーボンの腐食の抑制効果はやや劣るものの、製造は容易であるという点では、上記(2)の組み合わせが好ましく使用される。   The combination of forming the first and second gasket layers is not particularly limited and may be any combination. Preferably, (1) the first gasket layer is formed between the cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane so that the first gasket layer is covered with the end of the cathode catalyst layer, and the second gasket layer is the anode catalyst layer. Formed between the anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane to be coated at the end; (2) a first gasket layer is formed to cover the end of the cathode catalyst layer; And (3) a cathode catalyst layer and a polymer electrolyte membrane so that the first gasket layer is covered with the end of the cathode catalyst layer. And the second gasket layer is formed so as to cover the end of the anode catalyst layer. Among the above combinations, in the sense that the short circuit (contact between the anode / cathode catalyst layers) can be effectively prevented and the corrosion of carbon hardly occurs, the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer and the electrolyte membrane may be It is preferable that at least one of the first or second gasket layer is inserted. In this respect, the combination of (1) and (3) is preferable. Moreover, although the effect of suppressing the corrosion of carbon is somewhat inferior, the combination of the above (2) is preferably used in terms of easy production.

また、本発明では、カソード触媒層の端部に第一のガスケット層、及び好ましくはアノード触媒層の端部に第二のガスケット層を形成することによって有効アノード触媒層及び有効カソード触媒層を容易にかつ正確に調節できる。このため、各触媒層の端部が電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して同位置で終結するように、各触媒層を予め正確に位置合わせしなければいけない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。即ち、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部とは、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結していてもよいが、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置が異なっていてもよい。このような場合であっても、ガスケット層を、各触媒層が所望の大きさ及び位置関係にあるように、触媒層端部に適宜形成すればよいからである。この際、アノード触媒層の端部は、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、カソード触媒層の端部を超えて終結することが好ましい。上述したように、本発明では、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きいことが必須であるため、このようにカソード触媒層を予めアノード触媒層の大きさより小さくしておくことにより、使用する触媒や電解質の量を少なく抑えられ、また、ガスケット層部分との重複も少なくできるため、経済的に好ましい。   In the present invention, the effective anode catalyst layer and the effective cathode catalyst layer can be easily formed by forming the first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer, and preferably the second gasket layer at the end of the anode catalyst layer. Can be adjusted accurately and accurately. For this reason, it is not necessary to accurately align each catalyst layer in advance so that the end of each catalyst layer terminates at the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. This is highly desirable when considering mass production. That is, the end portion of the cathode catalyst layer and the end portion of the anode catalyst layer may be terminated at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. The positions of the end portions of the anode catalyst layer may be different. This is because even in such a case, the gasket layer may be appropriately formed at the end of the catalyst layer so that each catalyst layer has a desired size and positional relationship. At this time, the end portion of the anode catalyst layer is preferably terminated beyond the end portion of the cathode catalyst layer in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. As described above, in the present invention, it is essential that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer, and thus the cathode catalyst layer is previously made smaller than the size of the anode catalyst layer. Thus, the amount of catalyst and electrolyte to be used can be reduced, and the overlap with the gasket layer portion can be reduced, which is economically preferable.

以上、図面を参照しながら本発明のMEAの好ましい形態を説明したが、本発明を実施するにあたっては、各図面により示される具体的な特徴を組み合わせて用いてもよいことは勿論である。その際の組み合わせの具体例についても特に制限はなく、本発明の作用効果を失わない限り、任意の組み合わせが採用されうる。   While the preferred embodiments of the MEA of the present invention have been described above with reference to the drawings, it goes without saying that the specific features shown in the drawings may be used in combination in implementing the present invention. There are no particular limitations on the specific examples of the combination at that time, and any combination can be adopted as long as the effects of the present invention are not lost.

本発明の電解質膜−電極接合体は、公知の方法と同様にしてあるいは適宜修飾した方法を使用することにより製造できる。具体的には、高分子電解質膜上に、カソード触媒層、アノード触媒層及び第一のガスケット層、ならびに必要であれば第二のガスケット層を、適当な配列、例えば、上記したような配列で順次形成する方法が使用できる。この際、必要に応じて所望の構成要素を所望の厚みとなるように加工し、MEAの作製に用いればよい。各構成要素の一部を薄くする加工技術については特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。かような加工技術の一例としては、例えば、電解質膜やガスケット層などの高分子材料については、熱間プレス、冷間プレスという手法や、キャスト法という手法が挙げられるが、その他の手法が用いられても、勿論よい。また、触媒層に関しては、ダイコータ法やスプレー塗布法、転写法などの手法により、薄く加工する部分については他の部分より、塗布量を減少させる等の方法で所望の厚みを得る。   The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can be produced in the same manner as a known method or by using a suitably modified method. Specifically, on the polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, a first gasket layer, and, if necessary, a second gasket layer are arranged in an appropriate arrangement, for example, the arrangement described above. A sequential forming method can be used. At this time, if necessary, a desired component may be processed to have a desired thickness and used for manufacturing the MEA. There is no restriction | limiting in particular about the processing technique which makes a part of each component thin, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. As an example of such processing technology, for example, for polymer materials such as electrolyte membranes and gasket layers, there are techniques such as hot pressing and cold pressing, and techniques such as casting, but other techniques are used. Of course, it is good. As for the catalyst layer, a desired thickness is obtained by a method such as reducing the coating amount of the portion to be thinly processed from other portions by a technique such as a die coater method, a spray coating method, or a transfer method.

したがって、本発明のMEAは、所望のサイズに加工された構成要素(例えば、高分子電解質膜、触媒層、ガスケット層など)を用いて、例えば、高分子電解質膜の一方の面の端部に、第一のガス不透過層に第一の接着剤層が形成されてなる第一のガスケット層を、前記第一の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合うように配置し、前記高分子電解質膜の他方の面の端部に、第二のガス不透過層に第二の接着剤層が形成されてなる第二のガスケット層を、前記第二の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合うように配置して、積層体を形成する配置工程;前記積層体をプレスすることにより、前記第一のガスケット層および前記第二のガスケット層と前記高分子電解質膜とを接着させる接着工程;並びに、前記第一のガスケット層の内端部を被覆するようにカソード触媒層を形成し、前記第二のガスケット層の内端部を被覆するようにアノード触媒層を形成する触媒層形成工程、を有し、かつ、前記第一のガスケット層および前記第二のガスケット層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように接着される、MEAの製造方法(以下、「第一の製造方法」とも称する)によって製造されうる。   Therefore, the MEA of the present invention uses, for example, a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, a gasket layer, etc., at the end of one surface of the polymer electrolyte membrane using a component processed to a desired size. A first gasket layer formed by forming a first adhesive layer on the first gas-impermeable layer so that the first adhesive layer and the polymer electrolyte membrane face each other; A second gasket layer formed by forming a second adhesive layer on a second gas impermeable layer is formed at the end of the other surface of the molecular electrolyte membrane, and the second adhesive layer and the polymer electrolyte. An arrangement step of forming a laminate by placing the membranes facing each other; pressing the laminate to bond the first gasket layer and the second gasket layer to the polymer electrolyte membrane Bonding step; and the first gasket layer A catalyst layer forming step of forming a cathode catalyst layer so as to cover an inner end portion and forming an anode catalyst layer so as to cover an inner end portion of the second gasket layer, and And the second gasket layer are bonded so that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer (hereinafter referred to as “first manufacturing method”). Can be manufactured).

また、本発明のMEAは、カソード触媒層およびアノード触媒層のそれぞれを、高分子電解質膜のそれぞれの面に形成する触媒層形成工程;第一のガス不透過層に第一の接着剤層が形成されてなる第一のガスケット層を、前記第一の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合い、かつ前記カソード触媒層の端部が前記第一の接着剤層により被覆されるように配置し、第二のガスケット層本体に第二の接着剤層が形成されてなる第二のガスケット層を、前記第二の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合い、かつ前記アノード触媒層の端部が前記第二の接着剤層により被覆され、かつ有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように配置して、積層体を形成する配置工程;並びに、前記積層体をプレスすることにより、前記第一のガスケット層および前記第二のガスケット層と前記高分子電解質膜とを接着させる接着工程、を有する、MEAの製造方法(以下、「第二の製造方法」とも称する)によって製造されうる。   In the MEA of the present invention, the catalyst layer forming step of forming the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer on the respective surfaces of the polymer electrolyte membrane; the first gas-impermeable layer has the first adhesive layer The formed first gasket layer is formed such that the first adhesive layer and the polymer electrolyte membrane face each other, and an end portion of the cathode catalyst layer is covered with the first adhesive layer. A second gasket layer formed by forming a second adhesive layer on the second gasket layer body, the second adhesive layer and the polymer electrolyte membrane facing each other, and the anode catalyst layer An arrangement step of forming a laminate by arranging an end of the second anode adhesive layer so that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer; and Press the laminate And a bonding process for bonding the first gasket layer and the second gasket layer to the polymer electrolyte membrane, by a MEA manufacturing method (hereinafter also referred to as “second manufacturing method”). Can be manufactured.

さらに、本発明のMEAは、高分子電解質膜の一方の面の端部に、第一のガス不透過層に第一の接着剤層が形成されてなる第一のガスケット層を、前記第一の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合うように配置した後、前記第一のガスケット層の内端部を被覆するようにカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程;前記高分子電解質膜の他方の面にアノード触媒層を形成した後、第二のガス不透過層に第二の接着剤層が形成されてなる第二のガスケット層を、前記第二の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合い、かつ前記アノード触媒層の端部が前記第二の接着剤層により被覆され、かつ有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように配置して、積層体を形成するアノード触媒層形成工程;並びに、前記積層体をプレスすることにより、前記第一のガスケット層および前記第二のガスケット層と前記高分子電解質膜とを接着させる接着工程、を有する、MEAの製造方法(以下、「第三の製造方法」とも称する)によって製造されうる。   Furthermore, the MEA of the present invention has a first gasket layer formed by forming a first adhesive layer on a first gas impermeable layer at an end of one surface of the polymer electrolyte membrane. A cathode catalyst layer forming step of forming a cathode catalyst layer so as to cover an inner end portion of the first gasket layer after disposing the adhesive layer and the polymer electrolyte membrane so as to face each other; After forming the anode catalyst layer on the other surface of the membrane, the second gasket layer formed by forming the second adhesive layer on the second gas-impermeable layer is connected to the second adhesive layer and the high-pressure layer. It is arranged so that the molecular electrolyte membrane faces and the end of the anode catalyst layer is covered with the second adhesive layer, and the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer. , Anode catalyst layer forming work to form a laminate And a bonding step of bonding the first gasket layer and the second gasket layer to the polymer electrolyte membrane by pressing the laminate, and a MEA manufacturing method (hereinafter referred to as “first” The third manufacturing method ”is also referred to.

本発明の方法によると、カソード触媒層、第一のガスケット層、アノード触媒層、及び必要であれば第二のガスケット層を、所望の順番で正確にかつ容易に配置できる。また、第一のガスケット層及び第二のガスケット層を、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部にそれぞれ配置することによって、有効カソード触媒層及び有効アノード触媒層が所望の面積になるように正確に規定することができる。   According to the method of the present invention, the cathode catalyst layer, the first gasket layer, the anode catalyst layer, and, if necessary, the second gasket layer can be accurately and easily arranged in a desired order. In addition, by disposing the first gasket layer and the second gasket layer at the ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, respectively, the effective cathode catalyst layer and the effective anode catalyst layer can be accurately adjusted to have desired areas. Can be specified.

本発明の方法において、カソード触媒層の端部に第一のガスケット層、及び好ましくはアノード触媒層の端部に第二のガスケット層を形成するため、各触媒層の位置合わせが正確である必要は必ずしもない。即ち、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部とが、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結していてもよいが、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置がずれていてもよい。このような場合であっても、ガスケット層を、各触媒層が所望の大きさ及び位置にあるように、触媒層端部に適宜形成すればよいからである。この際、アノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、カソード触媒層の端部を超えて終結することが好ましい。上述したように、本発明では、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きいことが必須であるため、このようにカソード触媒層を予めアノード触媒層の大きさより小さくしておくことにより、使用する触媒や電解質の量を少なく抑えられ、また、ガスケット層部分との重複も少なくできるため、経済的に好ましい。   In the method of the present invention, the first gasket layer is formed at the end of the cathode catalyst layer, and preferably the second gasket layer is formed at the end of the anode catalyst layer, so that the alignment of each catalyst layer needs to be accurate. Is not necessarily. That is, the end of the cathode catalyst layer and the end of the anode catalyst layer may terminate at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. The position of the end of the anode catalyst layer may be shifted. This is because even in such a case, the gasket layer may be appropriately formed at the end of the catalyst layer so that each catalyst layer is in a desired size and position. At this time, the end of the anode catalyst layer is preferably terminated beyond the end of the cathode catalyst layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. As described above, in the present invention, it is essential that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer, and thus the cathode catalyst layer is previously made smaller than the size of the anode catalyst layer. Thus, the amount of catalyst and electrolyte to be used can be reduced, and the overlap with the gasket layer portion can be reduced, which is economically preferable.

本発明において、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、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、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   In the present invention, the catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of component elements that form separate crystals, a component element that completely dissolves into a solid solution, and a component element that is an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle size of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, and thus the higher the oxygen reduction activity. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.

本発明において、上述した触媒粒子は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。   In the present invention, the catalyst particles described above are included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.

前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。前記比表面積が、20m/g未満であると前記導電性担体への触媒成分および固体高分子電解質の分散性が低下して十分な発電性能が得られない恐れがあり、1600m/gを超えると触媒成分および固体高分子電解質の有効利用率が却って低下する恐れがある。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. The specific surface area, 20 m 2 / dispersibility of the catalyst component and the solid polymer electrolyte of g less than the that to the conductive support is lowered there is a possibility that sufficient power generation performance is obtained, a 1600 m 2 / g When it exceeds, there exists a possibility that the effective utilization factor of a catalyst component and a solid polymer electrolyte may fall on the contrary.

また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm. The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%を超えると、触媒成分の導電性担体上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく経済上での利点が低下する恐れがある。また、前記担持量が、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the loading amount exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support is lowered, and although the loading amount is increased, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be lowered. On the other hand, if the loading amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass is lowered, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。前記高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる固体高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Solid polymer electrolytes that can be used in this case are broadly classified into fluorine-based electrolytes that contain fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton, and hydrocarbon-based electrolytes that do not contain fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

固体高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   Since the solid polymer electrolyte is excellent in heat resistance, chemical stability, etc., it preferably contains a fluorine atom. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation) ) And Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。   The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

本発明の方法では、上記したような電極触媒、固体高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、高分子電解質膜表面(あるいはガスケット層を部分的に被覆するような状態で高分子電解質膜表面)に塗布することによって、触媒層が形成される。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the method of the present invention, the catalyst ink comprising the electrode catalyst, the solid polymer electrolyte and the solvent as described above is applied to the surface of the polymer electrolyte membrane (or the surface of the polymer electrolyte membrane with the gasket layer partially covered). The catalyst layer is formed by applying to the catalyst. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.

本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。   The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte is previously prepared in the above other solvent is used as it is. May be used in the method.

上記したような触媒インクを、高分子電解質膜上に、あるいはガスケット層の一部を被覆しながら高分子電解質膜上に、塗布して、各触媒層が形成される。この際、高分子電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。   Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above on the polymer electrolyte membrane or on the polymer electrolyte membrane while covering a part of the gasket layer. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or appropriately modified. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.

また、本発明において、ガスケット層は、気体、特に酸素や水素ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、高分子電解質膜やカソード/アノード触媒層の端部との接着を目的とする接着層及びガス不透過材料からなる不透過層から構成される。この際、不透過層を構成する材料は、膜にした際に酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。具体的には、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などが挙げられる。また、接着層に使用できる材料もまた、高分子電解質膜やカソード/アノード触媒層と、ガスケット層を密接に接着できるものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。   In the present invention, the gasket layer may be impermeable to gas, particularly oxygen or hydrogen gas. In general, the gasket layer is bonded to the end of the polymer electrolyte membrane or the cathode / anode catalyst layer. It is composed of a target adhesive layer and an impermeable layer made of a gas impermeable material. At this time, the material constituting the impermeable layer is not particularly limited as long as it is impermeable to oxygen and hydrogen gas when formed into a film. Specific examples include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), (polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. In addition, materials that can be used for the adhesive layer are also high. There is no particular limitation as long as the molecular electrolyte membrane, the cathode / anode catalyst layer, and the gasket layer can be adhered closely, but hot melt adhesives such as polyolefin, polypropylene, thermoplastic elastomer, acrylic adhesive, polyester, polyolefin Olefin adhesives such as can be used.

ガスケット層の形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、高分子電解質膜上に、あるいは触媒層の端部を被覆しながら高分子電解質膜上に、上記接着剤を、5〜30μmの厚みになるように塗布した後、上記したようなガス不透過材料を10〜200μmの厚みになるように塗布し、これを25〜150℃で、10秒〜10分間加熱することによって硬化させる方法が使用できる。または、予め、ガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜に接着剤を塗布して、ガスケット層を形成した後、これを高分子電解質膜上に、あるいはガスケット層の一部を被覆しながら高分子電解質膜上に、貼り合わせてもよい。この際、不透過層の厚みは、特に制限されないが、15〜40μmが好ましく、また、接着層もまた、特に制限されないが、10〜25μmが好ましい。   The formation method in particular of a gasket layer is not restrict | limited, A well-known method can be used. For example, after applying the adhesive to a thickness of 5 to 30 μm on the polymer electrolyte membrane or on the polymer electrolyte membrane while covering the end portion of the catalyst layer, the gas non-existence as described above is applied. A method can be used in which a transparent material is applied to a thickness of 10 to 200 μm and cured by heating at 25 to 150 ° C. for 10 seconds to 10 minutes. Alternatively, after a gas-impermeable material is formed into a sheet in advance, an adhesive is applied to the impermeable film to form a gasket layer, which is then applied to the polymer electrolyte membrane or a part of the gasket layer. It may be bonded onto the polymer electrolyte membrane while coating. At this time, the thickness of the impermeable layer is not particularly limited, but is preferably 15 to 40 μm, and the adhesive layer is also not particularly limited, but is preferably 10 to 25 μm.

なお、上記では、直接塗布することにより、高分子電解質膜に、直接アノード/カソード触媒層またはガスケット層を形成する方法について述べてきたが、本発明のMEAは、転写法などの他の方法によって製造されてもよい。このような場合の製造方法は、特に制限されず、公知の転写方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できるが、例えば、以下のような方法が使用できる。すなわち、上記で調製したような触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、電極触媒層の厚みは、1〜30μm、より好ましくは1〜20μmである。また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された電極触媒層の乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶媒を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に、このようにして作製された電極触媒層で高分子電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層及び高分子電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより高分子電解質膜と電極触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層と高分子電解質膜とからなるMEAを得ることができる。   In the above description, the method for directly forming the anode / cathode catalyst layer or the gasket layer on the polymer electrolyte membrane by direct application has been described. However, the MEA of the present invention can be obtained by other methods such as a transfer method. May be manufactured. The production method in such a case is not particularly limited, and a known transfer method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the following method can be used. That is, the catalyst ink as prepared above is applied and dried on a transfer mount to form an electrode catalyst layer. At this time, as the transfer mount, a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink). In the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Thickness can be used. Specifically, the thickness of the electrode catalyst layer is 1 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm. The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Also, the drying conditions of the applied electrode catalyst layer are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the catalyst ink coating layer (electrode catalyst layer) is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, after sandwiching the polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layers thus produced, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be sufficiently closely bonded, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. It is preferable to carry out at a press pressure of 1 to 5 MPa. Thereby, the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced. After performing the hot press, the MEA composed of the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the transfer mount.

なお、本発明によるMEAは、下記に詳述されるように、一般的にガス拡散層をさらに有してもよく、この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、電極触媒層と高分子電解質膜との接合後にさらに各電極触媒層に接合することが好ましい。または、電極触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この電極触媒層−ガス拡散層接合体で高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   Note that the MEA according to the present invention may generally further include a gas diffusion layer, as will be described in detail below. In this case, the gas diffusion layer is obtained by peeling off the transfer mount in the above method. It is preferable that the joined body is further sandwiched between gas diffusion layers to further join each electrode catalyst layer after joining the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane. Alternatively, after an electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is used in the same manner as described above. It is also preferable to sandwich and bond the molecular electrolyte membrane by hot pressing.

この際、MEAに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。   At this time, the gas diffusion layer used in the MEA is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, the conductive and porous properties such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric are used. The thing which uses the sheet-like material which has as a base material etc. are mentioned. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.

電極触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、電極触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。   The method for forming the electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. In addition, the conditions for forming the electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer are not particularly limited, and the same conditions as before can be applied by the specific forming method as described above.

前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

本発明のMEAがこのようにガス拡散層を有する場合、ガス拡散層の厚みを制御することによっても、上述したのと同様に、MEAの厚みの均一化が図られる。具体的には、図11に示す形態が例示される。図11に示す形態のMEAは、図8に示す形態の電解質膜−電極接合体のカソード触媒層および第一のガスケット層に隣接するようにガス拡散層(以下、「第一のガス拡散層」とも称する)が配置されており、アノード触媒層および第二のガスケット層に隣接するようにガス拡散層(以下、「第二のガス拡散層」とも称する)が配置されている。そして、第一のガス拡散層の厚みが、第一のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されており、かつ、第二のガス拡散層の厚みが、第二のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている。これにより、MEAにおいて、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の厚み、及びアノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位の厚みが、非重複部位の厚みと略等しくなっている。   When the MEA of the present invention has the gas diffusion layer as described above, the thickness of the MEA can be made uniform as described above also by controlling the thickness of the gas diffusion layer. Specifically, the form shown in FIG. 11 is illustrated. The MEA shown in FIG. 11 has a gas diffusion layer (hereinafter referred to as “first gas diffusion layer”) adjacent to the cathode catalyst layer and the first gasket layer of the electrolyte membrane-electrode assembly shown in FIG. Also, a gas diffusion layer (hereinafter also referred to as “second gas diffusion layer”) is disposed adjacent to the anode catalyst layer and the second gasket layer. And the thickness of the first gas diffusion layer is formed thinner than the other portions of the first gas diffusion layer at the overlapping portion with the first gasket layer, and the thickness of the second gas diffusion layer is the second In the overlapping part with the gasket layer, it is formed thinner than the other part of itself. Thereby, in the MEA, the thickness of the overlapping portion between the cathode catalyst layer and the first gasket layer and the thickness of the overlapping portion between the anode catalyst layer and the second gasket layer are substantially equal to the thickness of the non-overlapping portion. Yes.

しかしながら、MEAを構成する高分子電解質膜、触媒層、およびガスケット層のいずれの厚みも制御されていない積層体を用い、ガス拡散層の厚みを制御するのみで同様の効果を得ることも可能である。かような形態においては、触媒層とガスケット層との重複部位に対応する部位の厚みが低減されたガス拡散層を採用すればよい。   However, it is also possible to obtain the same effect only by controlling the thickness of the gas diffusion layer using a laminate in which the thicknesses of the polymer electrolyte membrane, catalyst layer, and gasket layer constituting the MEA are not controlled. is there. In such a form, a gas diffusion layer in which the thickness of the portion corresponding to the overlapping portion of the catalyst layer and the gasket layer is reduced may be employed.

また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。   Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.

前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。   Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   In the carbon particle layer, the mixing ratio between the carbon particles and the water repellent may be insufficient to obtain the water repellency as expected when the carbon particles are too much. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。   When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.

ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   When forming a carbon particle layer on a substrate in a gas diffusion layer, the carbon particles, water repellent, etc. are in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a slurry, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

なお、ガス拡散層にかようなカーボン層を配置する場合には、当該カーボン層の厚みを制御することによっても、上述したのと同様に、MEAの厚みの均一化が図られる。具体的には、図12に示す形態が例示される。図12に示す形態のMEAは、図8に示す形態の電解質膜−電極接合体のカソード触媒層および第一のガスケット層に隣接するように、カーボン層(第一のカーボン層)を有する第一のガス拡散層が配置されており、アノード触媒層および第二のガスケット層に隣接するように、カーボン層(第二のカーボン層)を有する第二のガス拡散層が配置されている。そして、第一のカーボン層の厚みが、第一のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されており、かつ、第二のカーボン層の厚みが、第二のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている。これにより、MEAにおいて、カソード触媒層と第一のガスケット層との重複部位の厚み、及びアノード触媒層と第二のガスケット層との重複部位の厚みが、非重複部位の厚みと略等しくなっている。   When such a carbon layer is arranged in the gas diffusion layer, the thickness of the MEA can be made uniform as described above by controlling the thickness of the carbon layer. Specifically, the form shown in FIG. 12 is illustrated. The MEA in the form shown in FIG. 12 has a carbon layer (first carbon layer) so as to be adjacent to the cathode catalyst layer and the first gasket layer of the electrolyte membrane-electrode assembly in the form shown in FIG. The second gas diffusion layer having a carbon layer (second carbon layer) is disposed adjacent to the anode catalyst layer and the second gasket layer. And the thickness of the first carbon layer is formed thinner than the other part of itself at the overlapping part with the first gasket layer, and the thickness of the second carbon layer is the second gasket layer Is formed thinner than the other parts of itself. Thereby, in the MEA, the thickness of the overlapping portion between the cathode catalyst layer and the first gasket layer and the thickness of the overlapping portion between the anode catalyst layer and the second gasket layer are substantially equal to the thickness of the non-overlapping portion. Yes.

なお、ここでは多孔質性シートにカーボン層が配置されてなる従来のガス拡散層においてカーボン層の厚みを制御する形態を例に挙げて詳細に説明したが、かような形態のみには制限されない。従って、ガス拡散層が、ガス拡散性の異なる複数のガス拡散層からなり、前記複数のガス拡散層のうち少なくとも一層の厚みを、少なくとも前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成される形態であれば、本発明の技術的範囲に含まれる。この際、ガス拡散層を構成する複数の層のうち、ガス透過性のより小さい層の厚みを薄くすると、製造が簡便であるため好ましい。これは、一般的に、電気化学反応で生成した水分を速やかにセパレータ流路に排出するためには、ガス透過性がより小さい層が触媒層側に配置されることが効果的であり、ガス透過性が相対的に大きいガス拡散層が燃料電池セパレータと接触することが多い。前記ガス透過性が小さいガス拡散層は製造工程において、ガス透過性が大きいガス拡散層を基材として、転写法、ダイコータ法、スプレー塗布法等により、後工程で形成されることが多い。これら工法によれば、厚さの制御が容易であるという理由による。例えば図12を用いて説明すると、ガス拡散層は、ガス拡散層の主層に加えてカーボン層を有しているが、当該カーボン層はガス拡散層の主層よりもガス透過性が小さく、ガス透過性のより小さいカーボン層の厚みが制御されているのである。   In addition, although it demonstrated in detail taking the example which controls the thickness of a carbon layer in the conventional gas diffusion layer by which a carbon layer is arrange | positioned at a porous sheet here, it is not restrict | limited only to such a form. . Accordingly, the gas diffusion layer is composed of a plurality of gas diffusion layers having different gas diffusivities, and at least one of the plurality of gas diffusion layers is formed to be thinner at least at the overlapping portion than the other portions. Any form is included in the technical scope of the present invention. At this time, it is preferable to reduce the thickness of the layer having a smaller gas permeability among the plurality of layers constituting the gas diffusion layer because the manufacturing is simple. In general, it is effective to dispose a layer having a lower gas permeability on the catalyst layer side in order to quickly discharge moisture generated by the electrochemical reaction to the separator flow path. A gas diffusion layer having a relatively high permeability often comes into contact with the fuel cell separator. In the manufacturing process, the gas diffusion layer having a low gas permeability is often formed in a subsequent step by using a gas diffusion layer having a high gas permeability as a base material by a transfer method, a die coater method, a spray coating method, or the like. According to these methods, the thickness can be easily controlled. For example, referring to FIG. 12, the gas diffusion layer has a carbon layer in addition to the main layer of the gas diffusion layer, but the carbon layer has a lower gas permeability than the main layer of the gas diffusion layer, The thickness of the carbon layer having a smaller gas permeability is controlled.

なお、ガス拡散層におけるガス透過性とは、ガス拡散層を透過するガスの流量を意味する。透過するガスの流量が大きい層はガス透過性能が大きく、透過するガスの流量が小さい層はガス透過性能が小さい。また、ガス透過性はガス拡散層における空孔の大きさと相関する。ガス透過性が高い層では一般的に空孔径が大きく、ガス透過性が低い層では一般的に空孔径が小さい。また、ガス拡散層が複数の層から構成される場合、各層のガス透過性は、ガーレ式、ダルシー式等の手法により測定されうる。   In addition, the gas permeability in a gas diffusion layer means the flow volume of the gas which permeate | transmits a gas diffusion layer. A layer with a large flow rate of permeating gas has a high gas permeation performance, and a layer with a small flow rate of permeating gas has a low gas permeation performance. Gas permeability correlates with the size of pores in the gas diffusion layer. A layer having a high gas permeability generally has a large pore diameter, and a layer having a low gas permeability generally has a small pore diameter. When the gas diffusion layer is composed of a plurality of layers, the gas permeability of each layer can be measured by a Gurley method, a Darcy method, or the like.

本発明の電解質膜−電極接合体によれば、上述した通り、電解質膜−電極接合体に含まれる電解質成分の劣化が抑制され、好ましくは、触媒担体として用いられるカーボン担体の腐食もまた抑制されうる。また、ガスケット層を設けることにより、触媒層の面積および配置を容易に決定することが可能となり、各触媒層を予め正確に位置合わせしなければならない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。さらに、触媒層とガスケット層との重複部位において、各構成要素の厚さが制御されている。これにより、MEAの厚さの均一性の向上が図られ、MEAの構成の複雑化に伴って生じるセルやスタックの体積増加、及び発電性能の低下を最小限に抑制しうるMEAを提供することが可能となる。従って、かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、製造工程が容易であり、小型化が可能で、かつ発電性能にも優れる信頼性の高い高分子電解質型燃料電池を提供することができる。前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   According to the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, as described above, the deterioration of the electrolyte component contained in the electrolyte membrane-electrode assembly is suppressed, and preferably the corrosion of the carbon support used as the catalyst support is also suppressed. sell. In addition, by providing a gasket layer, it is possible to easily determine the area and arrangement of the catalyst layer, and it is not necessary to accurately align each catalyst layer in advance. This is highly desirable. Further, the thickness of each component is controlled at the overlapping portion of the catalyst layer and the gasket layer. Thus, the MEA thickness uniformity can be improved, and an MEA capable of minimizing an increase in the volume of cells and stacks and a decrease in power generation performance caused by the complicated configuration of the MEA is provided. Is possible. Therefore, by using such an electrolyte membrane-electrode assembly, it is possible to provide a highly reliable polymer electrolyte fuel cell that is easy to manufacture, can be miniaturized, and has excellent power generation performance. it can. The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but other than that, typical examples are an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples include acid electrolyte fuel cells, direct methanol fuel cells, and micro fuel cells. Among these, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。   The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.

前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴムなどのゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステルといった熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、50μm〜2mm程度、望ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。   In order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), and polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. Further, the thickness of the gas seal portion may be about 50 μm to 2 mm, preferably about 100 μm to 1 mm.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、小型化が可能であり、かつ発電性能にも優れることから、燃料電池に好適に適用できる。   Since the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can be miniaturized and has excellent power generation performance, it can be suitably applied to a fuel cell.

OCV保持時の酸素のクロスリークを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross leak of oxygen at the time of OCV holding | maintenance. 長期放置後のアノード/カソードのガス雰囲気、ならびに長期放置後の起動時のアノード/カソードのガス雰囲気と局部電池状態、を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the gas atmosphere of the anode / cathode after standing for a long time, and the gas atmosphere and local cell state of the anode / cathode at the time of starting after standing for a long time. 局部電池において生じる電気化学反応を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the electrochemical reaction which arises in a local battery. 本発明のMEAにおける有効カソード触媒層、有効アノード触媒層、カソード触媒層及びアノード触媒層の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the effective cathode catalyst layer, effective anode catalyst layer, cathode catalyst layer, and anode catalyst layer in MEA of this invention. 本発明の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a structure of an MEA according to a preferred embodiment of the present invention. 本発明の他の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the structure of an MEA according to another preferred embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of an MEA according to still another preferred embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of an MEA according to still another preferred embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of an MEA according to still another preferred embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of an MEA according to still another preferred embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of an MEA according to still another preferred embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の好ましい実施態様によるMEAの構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of an MEA according to still another preferred embodiment of the present invention.

Claims (17)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、
前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、
を有し、少なくとも前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層とが重複しない前記第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記高分子電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記第一のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane;
A first gasket layer formed on at least a part of an end of the cathode catalyst layer;
And the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly in at least the overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is such that the cathode catalyst layer and the first gasket layer do not overlap. It is selected from the group consisting of the polymer electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, and the first gasket layer so as to be approximately equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the site where the gasket layer is present. An electrolyte membrane-electrode assembly, wherein one or two or more types of thicknesses are formed thinner than the other parts in the overlapping part.
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、
前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、
前記アノード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第二のガスケット層と、
を有し、少なくとも前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層とが重複しない前記第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、かつ、前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層とが重複しない前記第二のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記高分子電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、前記第一のガスケット層、および前記第二のガスケット層からなる群から選択される1種または2種以上の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane;
A first gasket layer formed on at least a part of an end of the cathode catalyst layer;
A second gasket layer formed on at least a part of an end of the anode catalyst layer;
And the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly in at least the overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is such that the cathode catalyst layer and the first gasket layer do not overlap. The thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the overlapping portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer is substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the location where the gasket layer is present. The polymer electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, so that the anode catalyst layer and the second gasket layer are substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly where the second gasket layer does not overlap. One or more thicknesses selected from the group consisting of the anode catalyst layer, the first gasket layer, and the second gasket layer are different from each other in the overlapping portion. Formed by formed thinner than position, the electrolyte membrane - electrode assembly.
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、
前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、
前記カソード触媒層および前記第一のガスケット層に隣接するように配置される第一のガス拡散層と、
を有し、少なくとも前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記カソード触媒層と前記第一のガスケット層とが重複しない前記第一のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記第一のガス拡散層の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane;
A first gasket layer formed on at least a part of an end of the cathode catalyst layer;
A first gas diffusion layer disposed adjacent to the cathode catalyst layer and the first gasket layer;
And the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly in at least the overlapping portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is such that the cathode catalyst layer and the first gasket layer do not overlap. An electrolyte in which the thickness of the first gas diffusion layer is formed to be thinner than the other portions of the first gas diffusion layer so as to be substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at the portion where the gasket layer is present. Membrane-electrode assembly.
前記第一のガス拡散層が、ガス拡散性の異なる複数のガス拡散層からなり、前記複数のガス拡散層のうちガス透過性のより小さいガス拡散層の厚みが、少なくとも前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、請求項3に記載の電解質膜−電極接合体。   The first gas diffusion layer is composed of a plurality of gas diffusion layers having different gas diffusivities, and the thickness of the gas diffusion layer having a smaller gas permeability among the plurality of gas diffusion layers is at least in the overlapping portion. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 3, wherein the electrolyte membrane-electrode assembly is formed thinner than other portions. 高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に形成された、カソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の面に形成された、アノード触媒層と、
前記カソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、
前記カソード触媒層および前記第一のガスケット層に隣接するように配置される第一のガス拡散層と、
前記アノード触媒層および前記第二のガスケット層に隣接するように配置される第二のガス拡散層と、
を有し、少なくとも前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層との重複部位の電解質膜−電極接合体の厚みが、前記アノード触媒層と前記第二のガスケット層とが重複しない前記第二のガスケット層の存在部位の電解質膜−電極接合体の厚みと略等しくなるように、前記第二のガス拡散層の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、電解質膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer formed on one surface of the polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane;
A first gasket layer formed on at least a part of an end of the cathode catalyst layer;
A first gas diffusion layer disposed adjacent to the cathode catalyst layer and the first gasket layer;
A second gas diffusion layer disposed adjacent to the anode catalyst layer and the second gasket layer;
And the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly at least at the overlapping portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer is such that the anode catalyst layer and the second gasket layer do not overlap. An electrolyte in which the thickness of the second gas diffusion layer is formed to be thinner than the other portions of itself in the overlapping portion so as to be substantially equal to the thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly in the portion where the gasket layer is present Membrane-electrode assembly.
前記第二のガス拡散層が、ガス拡散性の異なる複数のガス拡散層からなり、前記第二のガス拡散層を構成する複数のガス拡散層のうちガス透過性のより小さいガス拡散層の厚みが、前記重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されてなる、請求項5に記載の電解質膜−電極接合体。   The second gas diffusion layer is composed of a plurality of gas diffusion layers having different gas diffusivities, and the thickness of the gas diffusion layer having a smaller gas permeability among the plurality of gas diffusion layers constituting the second gas diffusion layer. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 5, wherein the overlapping portion is formed thinner than the other portion of itself. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記第一のガスケット層が第一のガス不透過層と第一の接着剤層とからなり、前記第一のガス不透過層の厚みが、前記カソード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、または、請求項2〜6のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記第二のガスケット層が第二のガス不透過層と第二の接着剤層とからなり、前記第二のガス不透過層の厚みが、前記アノード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the first gasket layer includes a first gas impermeable layer and a first adhesive layer, The thickness of the gas impervious layer is formed thinner than the other part of itself at the overlapping part with the cathode catalyst layer, or the electrolyte membrane-electrode junction according to any one of claims 2 to 6. In the body, the second gasket layer is composed of a second gas impermeable layer and a second adhesive layer, and the thickness of the second gas impermeable layer is determined at the overlapping portion with the anode catalyst layer. An electrolyte membrane-electrode assembly, which is formed thinner than other portions. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記第一のガスケット層が第一のガス不透過層と第一の接着剤層とからなり、前記第一の接着剤層の厚みが、前記カソード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、または、請求項2〜7のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記第二のガスケット層が第二のガス不透過層と第二の接着剤層とからなり、前記第二の接着剤層の厚みが、前記アノード触媒層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, wherein the first gasket layer includes a first gas-impermeable layer and a first adhesive layer, 8. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 2, wherein a thickness of the adhesive layer is formed thinner than other portions of the adhesive layer at an overlapping portion with the cathode catalyst layer. The second gasket layer is composed of a second gas impermeable layer and a second adhesive layer, and the thickness of the second adhesive layer is different from that of the anode catalyst layer at the overlapping portion. An electrolyte membrane-electrode assembly, which is formed thinner than the region. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記カソード触媒層の厚みが、前記第一のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、または、請求項2〜8のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記アノード触媒層の厚みが、前記第二のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、電解質膜−電極接合体。   9. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the thickness of the cathode catalyst layer is thinner than the other portions of the cathode catalyst layer at the overlapping portion with the first gasket layer. The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 2 to 8, wherein the anode catalyst layer has a thickness other than that of the second gasket layer. An electrolyte membrane-electrode assembly formed thinner than the above. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記高分子電解質膜の厚みが、前記第一のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、または、請求項2〜9のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体において、前記高分子電解質膜の厚みが、前記第二のガスケット層との重複部位において自身の他の部位よりも薄く形成されている、電解質膜−電極接合体。   10. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the thickness of the polymer electrolyte membrane is thinner than other portions of the polymer electrolyte membrane at the overlapping portion with the first gasket layer. The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 2 to 9, wherein the thickness of the polymer electrolyte membrane is different from the thickness of the polymer electrolyte membrane at the overlapping portion with the second gasket layer. An electrolyte membrane-electrode assembly, which is formed thinner than the region. 前記カソード触媒層および前記アノード触媒層が、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように形成されてなる、請求項1〜10のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10, wherein the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are formed such that an area of the effective anode catalyst layer is larger than an area of the effective cathode catalyst layer. An electrode assembly. 前記カソード触媒層の端部が、前記第一のガスケット層により被覆されてなる、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 11, wherein an end of the cathode catalyst layer is covered with the first gasket layer. 前記第一のガスケット層の端部が、前記カソード触媒層により被覆されてなる、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 11, wherein an end of the first gasket layer is covered with the cathode catalyst layer. 前記アノード触媒層の端部が、前記第二のガスケット層により被覆されてなる、請求項2〜13のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 2 to 13, wherein an end portion of the anode catalyst layer is covered with the second gasket layer. 前記第二のガスケット層の端部が、前記アノード触媒層により被覆されてなる、請求項2〜13のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 2 to 13, wherein an end portion of the second gasket layer is covered with the anode catalyst layer. 前記カソード触媒層の端部と前記アノード触媒層の端部とが、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対してほぼ同位置で終結する、請求項1〜15のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The edge part of the said cathode catalyst layer and the edge part of the said anode catalyst layer are terminated at the substantially the same position with respect to the thickness direction of an electrolyte membrane electrode assembly, respectively. Electrolyte membrane-electrode assembly. 前記カソード触媒層の端部と前記アノード触媒層の端部とが、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して異なる位置で終結する、請求項1〜15のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 15, wherein an end of the cathode catalyst layer and an end of the anode catalyst layer terminate at different positions with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. Membrane-electrode assembly.
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