JP2007066768A - Electrolyte membrane-electrode assembly and fuel cell using the same - Google Patents

Electrolyte membrane-electrode assembly and fuel cell using the same Download PDF

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陽三 奥山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MEA which is manufactured with a simple work and having good durability when laminating unit cells. <P>SOLUTION: The electrolyte membrane-electrode assembly includes carbon layer base materials 5a, c, intercalated between catalyst layers 3a, c and gas diffusion layers 4a, c, at the site where the catalyst layers are positioned against a thickness direction of an electrolyte membrane 2 located at least at a cathode side or an anode side, adjacent to the electrolyte membrane at the site where the gas diffusion layers are not located, and with end parts nearly matching the end part of the electrolyte membrane against the thickness direction. A carbon material and a water repellant are filled in a site where the catalyst layers of the carbon layer base materials are positioned, and an adhesive is filled at least on a contacting surface side with the electrolyte membrane at a site where the catalyst layers of the carbon layer base materials are not positioned. <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−電極接合体およびこれを用いた燃料電池に関するものである。詳細には、本発明は、MEA製造時の作業性の向上および単セル積層時の耐久性の低下を抑制するための改良に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), and more particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell using the same. More specifically, the present invention relates to an improvement for improving workability at the time of manufacturing an MEA and suppressing a decrease in durability at the time of stacking single cells.

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(MEA)を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、電解質膜が一対の触媒層および一対のガス拡散層により挟持されてなるものである。さらに場合によっては、ガス拡散層の撥水性を向上させる目的で、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に、カーボン材料および撥水剤を含むカーボン層が介在する場合もある。なお、固体高分子型燃料電池においては、上述の構成を有する単セルが複数積層され、スタックが形成されて用いられるのが一般的である。   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. The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The electrolyte membrane-electrode assembly is formed by sandwiching an electrolyte membrane between a pair of catalyst layers and a pair of gas diffusion layers. Further, in some cases, for the purpose of improving the water repellency of the gas diffusion layer, a carbon layer containing a carbon material and a water repellent may be interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer. In a polymer electrolyte fuel cell, a plurality of single cells having the above-described configuration are generally stacked to form a stack.

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、触媒層に含まれる電解質、さらに触媒層と接触している電解質膜を通り、カソード側触媒層に達する。また、アノード側触媒層で生成した電子は、触媒層を構成している導電性担体、さらに触媒層の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触媒層に達する。そして、カソード側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 produced protons pass through the electrolyte contained in the catalyst layer and the electrolyte membrane in contact with the catalyst layer, and reach the cathode side catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode side catalyst layer are converted into the cathode side catalyst layer through the conductive carrier constituting the catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the catalyst layer different from the electrolyte membrane, the separator and the external circuit. To reach. The protons and electrons that have reached the cathode 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.

ここで、ガスの供給ムラやセル外部へのガスのリークなどに伴う電池性能の低下を防止するには、燃料電池の単セルを構成する電解質膜、触媒層、ガス拡散層およびセパレータなどの各構成要素を積層する際の位置ずれを最小限に抑制することが必要である。   Here, in order to prevent deterioration in battery performance due to gas supply unevenness or gas leakage to the outside of the cell, each of the electrolyte membrane, catalyst layer, gas diffusion layer, separator, etc. constituting the single cell of the fuel cell It is necessary to minimize misalignment when stacking the components.

かような目的を達成すべく、従来、電解質膜と、電解質膜の中央に電解質膜よりも小さく形成されてなる各触媒層と、各ガス拡散層と、前記触媒層の周縁を囲む保護フィルムとを有し、前記保護フィルムと前記ガス拡散層とが接着剤層を介して接合されてなる固体高分子型燃料電池が開示されている(特許文献1を参照)。
特開2004−319153号公報
In order to achieve such an object, conventionally, an electrolyte membrane, each catalyst layer formed smaller than the electrolyte membrane in the center of the electrolyte membrane, each gas diffusion layer, and a protective film surrounding the periphery of the catalyst layer, There is disclosed a solid polymer fuel cell in which the protective film and the gas diffusion layer are bonded via an adhesive layer (see Patent Document 1).
JP 2004-319153 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の構成では、単セル作製時の各構成要素の積層作業が煩雑であり、さらに、単セルの耐久性、特に触媒層と保護フィルムとの界面の耐応力性が必ずしも充分ではなく、単セルの積層時にMEAが破損しやすいという問題があった。   However, in the configuration described in Patent Document 1, the stacking operation of each component at the time of manufacturing the single cell is complicated, and further, the durability of the single cell, in particular, the stress resistance at the interface between the catalyst layer and the protective film is low. This is not always sufficient, and there is a problem that the MEA is easily damaged when the single cells are stacked.

そこで本発明は、より簡便な作業によって作製可能であり、かつ、単セル積層時の耐久性に優れるMEAを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an MEA that can be produced by a simpler operation and that is excellent in durability when single cells are stacked.

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、従来ガス拡散層の撥水性向上の目的で配置されていたカーボン層の基材の端部を、MEAの電解質膜の端部と略一致するまで延伸させ、さらに、触媒層と接する部位以外の部位(具体的には、周縁部)に上記特許文献1でいう保護フィルムの機能を発揮させることによって、上記の課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the end portion of the carbon layer substrate, which has been conventionally arranged for the purpose of improving the water repellency of the gas diffusion layer, is replaced with the MEA electrolyte membrane. The above-mentioned problem is caused by stretching the film until it substantially coincides with the end part, and further exhibiting the function of the protective film described in Patent Document 1 in a part other than the part in contact with the catalyst layer (specifically, the peripheral part). It has been found that the problem can be solved, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に位置する、カソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に位置する、アノード触媒層と、前記カソード触媒層の前記電解質膜と対向する面に位置する、カソード側ガス拡散層と、前記アノード触媒層の前記電解質膜と対向する面に位置する、アノード側ガス拡散層と、カソード側またはアノード側の少なくとも一方に位置する、前記電解質膜の厚み方向に対して前記触媒層が位置する部位では前記触媒層と前記ガス拡散層との間に介在し、前記ガス拡散層が位置しない部位では前記電解質膜に隣接し、端部が前記厚み方向に対して前記電解質膜の端部と略一致する、カーボン層基材と、を有し、前記カーボン層基材の前記触媒層が位置する部位にはカーボン材料および撥水剤が充填されてなり、前記カーボン層基材の前記触媒層が位置しない部位の少なくとも前記電解質膜との接触面側には接着剤が充填されてなる、電解質膜−電極接合体である。   That is, the present invention includes an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer located on one side of the electrolyte membrane, an anode catalyst layer located on the other side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer A cathode-side gas diffusion layer located on a surface facing the anode, a anode-side gas diffusion layer located on a surface facing the electrolyte membrane of the anode catalyst layer, and located on at least one of the cathode side or the anode side, In the part where the catalyst layer is located with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane, it is interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and in the part where the gas diffusion layer is not located, it is adjacent to the electrolyte membrane and ends. Is substantially coincident with the end portion of the electrolyte membrane with respect to the thickness direction, and a carbon material and a water repellent are disposed in a portion of the carbon layer substrate where the catalyst layer is located. Charge Is made, the adhesive is filled in the contact surface of at least the electrolyte membrane of a portion the catalyst layer of the carbon layer substrate is not located, the electrolyte membrane - an electrode assembly.

本発明のMEAにあっては、従来のカーボン層を構成する基材の端部が電解質膜の端部と略一致するまで延伸されており、従来のカーボン層とガスシール層とが一体化された構成を有する。よって、本発明のMEAは簡便な作業によって作製可能である。さらに、本発明によれば、単セル積層時の耐久性に優れるMEAが提供されうる。   In the MEA of the present invention, the end of the base material constituting the conventional carbon layer is stretched until it substantially coincides with the end of the electrolyte membrane, and the conventional carbon layer and the gas seal layer are integrated. Have a configuration. Therefore, the MEA of the present invention can be produced by a simple operation. Furthermore, according to the present invention, an MEA having excellent durability when single cells are stacked can be provided.

本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に位置する、カソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に位置する、アノード触媒層と、前記カソード触媒層の前記電解質膜と対向する面に位置する、カソード側ガス拡散層と、前記アノード触媒層の前記電解質膜と対向する面に位置する、アノード側ガス拡散層と、カソード側またはアノード側の少なくとも一方に位置する、前記電解質膜の厚み方向に対して前記触媒層が位置する部位では前記触媒層と前記ガス拡散層との間に介在し、前記ガス拡散層が位置しない部位では前記電解質膜に隣接し、端部が前記厚み方向に対して前記電解質膜の端部と略一致する、カーボン層基材と、を有し、前記カーボン層基材の前記触媒層が位置する部位にはカーボン材料および撥水剤が充填されてなり、前記カーボン層基材の前記触媒層が位置しない部位の少なくとも前記電解質膜との接触面側には接着剤が充填されてなる、電解質膜−電極接合体(MEA)である。   The present invention includes an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer located on one side of the electrolyte membrane, an anode catalyst layer located on the other side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer facing the electrolyte membrane A cathode side gas diffusion layer located on the surface of the anode catalyst layer; an anode side gas diffusion layer located on a surface of the anode catalyst layer facing the electrolyte membrane; and the electrolyte located on at least one of the cathode side or the anode side. In the part where the catalyst layer is located with respect to the thickness direction of the film, it is interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer, in the part where the gas diffusion layer is not located, it is adjacent to the electrolyte membrane, and the end is the A carbon layer base material that substantially coincides with the end of the electrolyte membrane with respect to the thickness direction, and a portion of the carbon layer base material where the catalyst layer is located is filled with a carbon material and a water repellent. Tena , The adhesive is filled in the contact surface of at least the electrolyte membrane of a portion the catalyst layer of the carbon layer substrate is not located, the electrolyte membrane - a electrode assembly (MEA).

以下、図面を参照しながら本発明のMEAの好ましい実施形態を説明する。ただし、図面は説明の都合上誇張されて記載されており、図面の寸法比率と実際の寸法比率とは、必ずしも一致するとは限らない。   Hereinafter, preferred embodiments of the MEA of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratios in the drawings do not always match the actual dimensional ratios.

図1は、本発明のMEAの好ましい一実施形態を示す図である。図1に示すように、本実施形態のMEA1は、電解質膜2の一方の面にアノード触媒層3aが位置し、他方の面にカソード触媒層3cが位置する。さらに、前記アノード触媒層3aの電解質膜2と対向する面にはアノード側ガス拡散層4aが位置し、前記カソード触媒層3cの電解質膜2と対向する面にはカソード側ガス拡散層4cが位置する。   FIG. 1 shows a preferred embodiment of the MEA of the present invention. As shown in FIG. 1, in the MEA 1 of the present embodiment, the anode catalyst layer 3a is located on one surface of the electrolyte membrane 2, and the cathode catalyst layer 3c is located on the other surface. Further, the anode side gas diffusion layer 4a is located on the surface of the anode catalyst layer 3a facing the electrolyte membrane 2, and the cathode side gas diffusion layer 4c is located on the surface of the cathode catalyst layer 3c facing the electrolyte membrane 2. To do.

本実施形態のMEAは、カソード側およびアノード側の両側において、前記電解質膜2の厚み方向に対して触媒層(3aまたは3c)が位置する部位では触媒層(3aまたは3c)とガス拡散層(4aまたは4c)との間に介在し、前記厚み方向に対してガス拡散層(4aまたは4c)が位置しない部位では電解質膜2に隣接し、端部が前記厚み方向に対して電解質膜2の端部と略一致する、カーボン層基材(5a、5c)を有する点に特徴を有する。ただし、カソード側およびアノード側の両側に上記のカーボン層基材が存在する形態のみに制限されず、いずれか一方のみにカーボン層基材が存在する形態もまた、採用されうる。   In the MEA of the present embodiment, the catalyst layer (3a or 3c) and the gas diffusion layer (where the catalyst layer (3a or 3c) is located in the thickness direction of the electrolyte membrane 2 on both the cathode side and the anode side. 4a or 4c) is adjacent to the electrolyte membrane 2 at a portion where the gas diffusion layer (4a or 4c) is not located with respect to the thickness direction, and an end portion of the electrolyte membrane 2 is located with respect to the thickness direction. It is characterized in that it has a carbon layer substrate (5a, 5c) that substantially coincides with the end. However, the embodiment is not limited to the above-described form in which the carbon layer base material is present on both sides of the cathode side and the anode side, and a form in which the carbon layer base material is present only in any one of the above can also be adopted.

このカーボン層基材(5a、5c)は、電解質膜2の厚み方向に対して触媒層(3aまたは3c)が位置する部位(いわゆる「アクティブエリア」、図1に示す部位「A」)においては、従来のカーボン層の基材として機能する。従って、このアクティブエリアにおいて、カーボン層基材(5a、5c)には、少なくともカーボン材料および撥水剤が充填されている。これらが充填されたアクティブエリアにおけるカーボン層基材は、従来のカーボン層と同様に、ガス拡散層の撥水性をより一層向上させるという機能を有する。   This carbon layer base material (5a, 5c) is located at a portion where the catalyst layer (3a or 3c) is located in the thickness direction of the electrolyte membrane 2 (so-called “active area”, portion “A” shown in FIG. 1). It functions as a base material for a conventional carbon layer. Therefore, in this active area, the carbon layer base material (5a, 5c) is filled with at least a carbon material and a water repellent. The carbon layer base material in the active area filled with these has a function of further improving the water repellency of the gas diffusion layer, like the conventional carbon layer.

一方、アクティブエリア以外の部位において、カーボン層基材(5a、5c)の端部は電解質膜2の端部と略一致する。そして本実施形態においては、カーボン層基材(5a、5c)のアクティブエリア以外の部位には、接着剤が充填されている。これにより、アクティブエリア以外の部位のカーボン層基材(5a、5c)は、アクティブエリアから外部へのガスのリークを防止するためのガスシール部材として機能する。ただし、アクティブエリア以外の部位の全体に接着剤が充填される形態のみに制限されることはなく、接着剤は、少なくとも電解質膜2との接触面側に充填されていればよい。かような形態によれば、カーボン層基材(5a、5c)のアクティブエリア以外の部位と、電解質膜2との接着が充分に確保されるためである。   On the other hand, the end of the carbon layer base material (5a, 5c) substantially coincides with the end of the electrolyte membrane 2 at a site other than the active area. In the present embodiment, a portion other than the active area of the carbon layer base material (5a, 5c) is filled with an adhesive. Thereby, the carbon layer base material (5a, 5c) in a portion other than the active area functions as a gas seal member for preventing gas leakage from the active area to the outside. However, the present invention is not limited to a form in which the entire region other than the active area is filled with the adhesive, and the adhesive only needs to be filled at least on the contact surface side with the electrolyte membrane 2. This is because the adhesion between the portion other than the active area of the carbon layer base material (5a, 5c) and the electrolyte membrane 2 is sufficiently secured.

なお、燃料電池においては、各触媒層側に配置されるセパレータから燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるが、本発明のMEAにおいては、このガスが独立して流れかつ外部に漏れないように、MEAをセパレータで挟持する際にシール用凸部がカーボン層基材(5a、5c)のセパレータ(図示せず)側に配置されてもよい。   In the fuel cell, fuel gas and oxidant gas are supplied from the separators arranged on the catalyst layer sides. In the MEA of the present invention, the gas flows independently and does not leak outside. When the MEA is sandwiched between the separators, the sealing convex portion may be disposed on the separator (not shown) side of the carbon layer base material (5a, 5c).

以上のように、本発明によれば、MEAにおける従来のカーボン層と、ガスシール部材とが、カーボン層基材という1つの部材を用いて一体化された構成とされる。その結果、本発明によれば、より簡便な手法により製造可能なMEAが提供されうる。また、本発明によれば、アクティブエリアとそれ以外の部位とが一体化された部材から構成されるため、単セル積層時の応力集中が緩和され、単セル積層時の耐久性に優れるMEAが提供されうる。   As described above, according to the present invention, the conventional carbon layer in the MEA and the gas seal member are integrated using a single member called a carbon layer base material. As a result, according to the present invention, an MEA that can be manufactured by a simpler method can be provided. Further, according to the present invention, since the active area and other parts are integrated, the stress concentration at the time of single cell stacking is reduced, and the MEA having excellent durability at the time of single cell stacking is provided. Can be provided.

図1に示す形態においては、アノード側およびカソード側の双方において、触媒層(3a、3c)の端部とガス拡散層(4a、4c)の端部とが、MEAの厚み方向に対して略一致している。しかしながら、本発明の技術的範囲はかような形態のみには制限されない。例えば、図2に示すように、MEAの厚み方向に対して、触媒層(3a、3c)の端部がガス拡散層(4a、4c)の端部よりも内側で終結する形態もまた、採用されうる。図2に示す形態において、アノード側では、図1と同様に、触媒層3aの端部とガス拡散層4aの端部とが、MEAの厚み方向に対して略一致している。これに対し、カソード側では、触媒層3cの端部がガス拡散層4cの端部よりも内側で終結している。かような形態において、カソード側のカーボン層基材5cは、電解質膜2の厚み方向に対して触媒層3cが位置する部位では触媒層3cとガス拡散層4cとの間に介在し、前記厚み方向に対してガス拡散層4cが位置しない部位では電解質膜2に隣接し、端部が前記厚み方向に対して電解質膜2の端部と略一致する点は、図1に示す形態と同様である。しかしながら、図2に示す形態のカソード側には、電解質膜2の厚み方向に対して触媒層3cが位置せず、ガス拡散層4cが位置する部位(図2に示す部位「B」)が存在する。かような部位において、カソード側のカーボン層基材5cは、電解質膜2とガス拡散層4cとの間に介在する。   In the form shown in FIG. 1, on both the anode side and the cathode side, the end portions of the catalyst layers (3a, 3c) and the end portions of the gas diffusion layers (4a, 4c) are substantially in the thickness direction of the MEA. Match. However, the technical scope of the present invention is not limited to such a form. For example, as shown in FIG. 2, a configuration in which the ends of the catalyst layers (3a, 3c) are terminated inside the ends of the gas diffusion layers (4a, 4c) in the thickness direction of the MEA is also adopted. Can be done. In the form shown in FIG. 2, on the anode side, as in FIG. 1, the end of the catalyst layer 3a and the end of the gas diffusion layer 4a are substantially aligned with the thickness direction of the MEA. On the other hand, on the cathode side, the end of the catalyst layer 3c is terminated inside the end of the gas diffusion layer 4c. In such a form, the carbon layer base material 5c on the cathode side is interposed between the catalyst layer 3c and the gas diffusion layer 4c at the portion where the catalyst layer 3c is located with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane 2, and the thickness The portion where the gas diffusion layer 4c is not located with respect to the direction is adjacent to the electrolyte membrane 2, and the end portion is substantially coincident with the end portion of the electrolyte membrane 2 with respect to the thickness direction as in the embodiment shown in FIG. is there. However, on the cathode side in the form shown in FIG. 2, the catalyst layer 3c is not located in the thickness direction of the electrolyte membrane 2, and there is a part where the gas diffusion layer 4c is located (part "B" shown in FIG. 2). To do. In such a part, the cathode-side carbon layer base material 5c is interposed between the electrolyte membrane 2 and the gas diffusion layer 4c.

図2に示す形態においては、カソード側のみに、電解質膜2の厚み方向に対して触媒層が位置せずガス拡散層が位置する部位が存在する。ただしかような形態のみに制限されず、図3に示すような、かような部位がカソード側およびアノード側の双方において存在する形態や、アノード側のみにおいてかような部位が存在する形態もまた、採用されうる。   In the form shown in FIG. 2, there is a portion where the catalyst layer is not located and the gas diffusion layer is located in the thickness direction of the electrolyte membrane 2 only on the cathode side. However, the present invention is not limited to such a form, and a form in which such a part exists on both the cathode side and the anode side as shown in FIG. 3 and a form in which such a part exists only on the anode side are also included. Can be adopted.

以下、本実施形態のMEAを構成する部材について、詳細に説明する。   Hereafter, the member which comprises MEA of this embodiment is demonstrated in detail.

[電解質膜]
本発明のMEAに用いられる電解質膜としては、特に限定されない。例えば、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。
[Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited. For example, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Co., 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. Alternatively, a porous thin film formed from polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like, impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid may be used.

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 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.

[触媒層]
本発明において、触媒層を構成する成分は特に制限されず、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。すなわち、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よく、アノード触媒層に用いられる触媒成分は水素の酸化反応に触媒作用を有するものであればよい。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金属成分が含まれうる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などの観点から、触媒層は少なくとも白金を含むことが好ましい。また、触媒層に合金が含まれる場合、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。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。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層およびアノード触媒層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、カソード触媒層およびアノード触媒層に含まれる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て、異なっていてもよい。
[Catalyst layer]
In the present invention, the components constituting the catalyst layer are not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of fuel cells. That is, the catalyst component used for the cathode catalyst layer may be any catalyst component that has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and the catalyst component used for the anode catalyst layer may be any catalyst having the catalytic action for the hydrogen oxidation reaction. 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. Metal components may be included. Of these, the catalyst layer preferably contains at least platinum from the viewpoints of catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, and heat resistance. When the catalyst layer contains an alloy, the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, but platinum is 30 to 90 atomic%, and the metal to be alloyed is 10 to 70 atomic%. Good. 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. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the catalyst components of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components contained in the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not have to be the same, and may be appropriately selected and different so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状やサイズは特に制限されず、従来公知の触媒成分と同様の形状およびサイズが採用されうるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、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。触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらに好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmであることが好ましい。担持の容易さという観点からは1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点からは30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」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測定される触媒成分の粒子径の平均値から算出可能である。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as those of conventionally known catalyst components can be adopted, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle size of the catalyst particles, the higher the effective electrode area in which the electrochemical reaction proceeds, so that the oxygen reduction activity is preferably high. However, if the average particle size is too small, the oxygen reduction activity is actually rather small. A decreasing phenomenon is observed. The average particle diameter of the catalyst particles 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. From the viewpoint of easy loading, it is preferably 1 nm or more, and from the viewpoint of catalyst utilization, it is preferably 30 nm or less. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average particle diameter of the catalyst component measured 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. It can be calculated from the value.

本発明において、上述した触媒成分は、導電性担体に担持された電極触媒として触媒層に含まれる。   In the present invention, the catalyst component described above is contained in the catalyst layer as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.

前記導電性担体としては、触媒成分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伝導性を有しているものであればよく、導電性担体の主成分はカーボンであることが好ましい。導電性担体としては、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 is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and has sufficient electron conductivity as a current collector. The component is preferably carbon. Specific examples of the conductive carrier 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である。前記比表面積が20m/g以上であれば、導電性担体における触媒成分および後述する電解質成分の分散性が低下せずに充分な発電性能が得られ、1600m/g以下であれば、触媒成分および電解質成分の有効利用率の低下が避けられる。 Although the BET specific surface area of the said electroconductive support | carrier should just be a specific surface area sufficient to carry | support a catalyst component highly dispersed, Preferably it is 20-1600m < 2 > / g, More preferably, it is 80-1200m < 2 > / g. If the specific surface area is 20 m 2 / g or more, sufficient power generation performance can be obtained without lowering the dispersibility of the catalyst component and the electrolyte component described later in the conductive support, and if it is 1600 m 2 / g or less, the catalyst A decrease in the effective utilization rate of components and electrolyte components is avoided.

また、前記導電性担体のサイズも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容易に制御可能であるという観点からは、導電性担体の平均粒子径を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 that the loading, catalyst utilization, and electrode catalyst layer thickness can be easily controlled within an appropriate range, the average particle size of the conductive carrier. The diameter is 5 to 200 nm, 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%以下であれば、導電性担体上での触媒成分の分散度が低下せず、担持量が増加すると発電性能の向上も大きく経済上での利点が低下することはない。また、前記担持量が10質量%以上であれば、単位質量あたりの触媒活性が低下せず、少量の電極触媒の使用により所望の発電性能が得られる。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)によって測定可能である。   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 is 80% by mass or less, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive carrier does not decrease, and if the loading amount increases, the power generation performance is greatly improved and the economic advantage does not decrease. . Further, if the supported amount is 10% by mass or more, the catalytic activity per unit mass does not decrease, and desired power generation performance can be obtained by using a small amount of electrode catalyst. The supported amount of the catalyst component can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

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.

本発明の触媒層には、電極触媒の他に、電解質成分が含まれうる。前記電解質成分についても特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうるが、例えば、上述した電解質膜を構成するのと同様の電解質成分が同様に採用されうる。   The catalyst layer of the present invention can contain an electrolyte component in addition to the electrode catalyst. The electrolyte component is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, the same electrolyte component as that constituting the above-described electrolyte membrane can be similarly employed.

本発明のMEAにおいて、各触媒層(3a、3c)は、図2や図3に示すように、アノード触媒層3aの面積がカソード触媒層3cの面積より大きくなるように、各触媒層(3a、3c)が電解質膜2のそれぞれの面に位置することが好ましい。この際、アノード触媒層3aとカソード触媒層3cとの位置関係に関しては、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、アノード触媒層3a内にカソード触媒層3c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3cが部分的にアノード触媒層3a内に含まれる場合のいずれであってもよいが、アノード触媒層3a内にカソード触媒層3cが完全に含まれる場合がより好ましい。このような構成により、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、すなわち、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3aのカーボンの腐食が効果的に抑制されうる。また、かような形態によれば、MEAの厚み方向に対してカソード触媒層3c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3c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最小限に抑制され、従来重大な問題であった電解質膜の劣化もまた、効果的に防止されうる。従って、かような構成を有するMEAを用いた燃料電池では、起動停止/連続運転時およびOCV保持時のいずれにおいても高い性能が長期間に亘って維持され、燃費も向上しうる。   In the MEA of the present invention, as shown in FIGS. 2 and 3, each catalyst layer (3a, 3c) is formed so that the area of the anode catalyst layer 3a is larger than the area of the cathode catalyst layer 3c. 3c) is preferably located on each surface of the electrolyte membrane 2. At this time, the positional relationship between the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c is not particularly limited, but as shown in FIG. 4A, the cathode catalyst layer is disposed in the anode catalyst layer 3a with respect to the MEA thickness direction. In the case where 3c is completely included; as shown in FIG. 4B, any of the case where the cathode catalyst layer 3c is partially included in the anode catalyst layer 3a in the thickness direction of the MEA may be used. More preferably, the cathode catalyst layer 3c is completely contained in the anode catalyst layer 3a. With 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, a portion where the difference between the cathode potential and the electrolyte potential is large can be significantly reduced. Carbon corrosion can be effectively suppressed. Further, according to such a configuration, there is little or no surrounding portion where only the cathode catalyst layer 3c exists in the thickness direction of the MEA, and oxygen from the cathode to the anode at the end of the cathode catalyst layer 3c is present. Cross leakage is minimized, and deterioration of the electrolyte membrane, which has been a serious problem in the past, can also be effectively prevented. Therefore, in a fuel cell using an MEA having such a configuration, high performance can be maintained over a long period of time both during start / stop / continuous operation and when OCV is maintained, and fuel consumption can be improved.

[ガス拡散層]
本発明のMEAにおいて、ガス拡散層(4a、4c)の具体的な形態も特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。用いられるガス拡散層としては、例えば、炭素製の織物、抄紙体、不織布といった導電性および多孔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されうるが、機械的強度、ガスや水などの透過性等を考慮すると、好ましくは、30〜500μmであり、より好ましくは、50〜300μmである。
[Gas diffusion layer]
In the MEA of the present invention, the specific form of the gas diffusion layers (4a, 4c) is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Examples of the gas diffusion layer to be used include those based on a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a papermaking body, and a nonwoven fabric. The thickness of the substrate can be appropriately determined in consideration of the characteristics of the gas diffusion layer to be obtained, but is preferably 30 to 500 μm in consideration of mechanical strength, permeability of gas or water, etc. More preferably, it is 50-300 micrometers.

ガス拡散層(4a、4c)は、撥水性をより向上させ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むことが好ましい。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 layers (4a, 4c) preferably contain a water repellent in the substrate for the purpose of further improving the water repellency and preventing the flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

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.

[カーボン層基材]
以下、本発明のMEAの特徴的な構成であるカーボン層基材(5a、5c)について、詳細に説明する。
[Carbon layer substrate]
Hereinafter, the carbon layer base material (5a, 5c) which is a characteristic configuration of the MEA of the present invention will be described in detail.

カーボン層基材(5a、5c)を構成する材料は特に制限されず、従来のMEAにおけるカーボン層の基材として用いられていた材料が同様に採用されうる。例えば、PTFE、PEN、PETなどがカーボン層基材の構成材料として用いられうる。   The material which comprises a carbon layer base material (5a, 5c) in particular is not restrict | limited, The material used as the base material of the carbon layer in the conventional MEA can be employ | adopted similarly. For example, PTFE, PEN, PET, or the like can be used as a constituent material of the carbon layer base material.

また、上述したように、MEAの厚み方向に対して触媒層(カソード側においては、カソード触媒層3c、アノード側においては、アノード触媒層3a)が存在するアクティブエリアのカーボン層基材(5a、5c)には、従来のカーボン層と同様の機能を発揮させるべく、カーボン材料および撥水剤が充填される。   In addition, as described above, the carbon layer base material (5a, 5a, active area) in which the catalyst layer (the cathode catalyst layer 3c on the cathode side and the anode catalyst layer 3a on the anode side) exists in the thickness direction of the MEA. 5c) is filled with a carbon material and a water repellent so as to exhibit the same function as the conventional carbon layer.

カーボン材料は特に限定されず、従来のカーボン層において用いられているカーボン材料が同様に採用されうる。例えば、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などが例示される。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採用されうる。前記カーボン材料の粒子径は、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。   A carbon material is not specifically limited, The carbon material currently used in the conventional carbon layer can be employ | adopted similarly. For example, carbon black, graphite, expanded graphite and the like are exemplified. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The particle diameter of the carbon material 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.

一方、撥水剤も特に限定されず、従来のカーボン層において用いられている撥水剤が同様に採用されうる。例えば、上述したガス拡散層(4a、4c)に含まれうる撥水剤が例示される。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。   On the other hand, the water repellent is not particularly limited, and the water repellent used in the conventional carbon layer can be similarly employed. For example, water repellents that can be included in the gas diffusion layers (4a, 4c) described above are exemplified. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

アクティブエリアにおいてカーボン層基材に充填されるカーボン材料と撥水剤との混合比は、カーボン材料が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない虞があり、撥水剤が多過ぎると充分な電子伝導性が得られない虞がある。これらを考慮して、アクティブエリアにおけるカーボン材料と撥水剤との混合比は、質量比で90:10〜40:60(カーボン材料:撥水剤)程度とするのがよい。なお、アクティブエリアにおけるカーボン層基材(5a、5c)の厚さは、ガス拡散層(4a、4c)の所望の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。一例を挙げると、アクティブエリアにおけるカーボン層基材(5a、5c)の厚さは、好ましくは5〜100μmであり、より好ましくは10〜50μmである。一般的に、この厚さが5μm以上であれば、充分な機械的強度が得られる。一方、この厚さが100μm以下であれば、ガスや水などの透過性が低下せず、充分な触媒活性が得られる。   In the active area, the mixing ratio of the carbon material and the water repellent filled in the carbon layer base material may not provide water repellency as expected if there is too much carbon material. There is a possibility that a good electronic conductivity cannot be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon material and the water repellent in the active area is preferably about 90:10 to 40:60 (carbon material: water repellent) in mass ratio. Note that the thickness of the carbon layer base material (5a, 5c) in the active area may be appropriately determined in consideration of the desired water repellency of the gas diffusion layer (4a, 4c). As an example, the thickness of the carbon layer substrate (5a, 5c) in the active area is preferably 5 to 100 μm, more preferably 10 to 50 μm. In general, if the thickness is 5 μm or more, sufficient mechanical strength can be obtained. On the other hand, if the thickness is 100 μm or less, the permeability of gas or water is not lowered, and sufficient catalytic activity is obtained.

カーボン層基材にカーボン材料および撥水剤を充填する手法としては、例えば、カーボン材料および撥水剤を、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。   As a method of filling the carbon layer base material with the carbon material and the water repellent, for example, the carbon material and the water repellent are used as a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, and ethanol. A slurry is prepared by dispersing in, 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 onto the gas diffusion layer, etc. May be used. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

一方、上述したように、MEAの厚み方向に対して触媒層(カソード側においては、カソード触媒層3c、アノード側においては、アノード触媒層3a)が存在しないアクティブエリア以外のカーボン層基材(5a、5c)の少なくとも電解質膜2との接触面側には、接着剤が充填される。電解質膜とカーボン層基材との接着に必要な最小量の接着剤が充填される形態によれば、経済上好ましく、MEAの製造コストが低減されうる。   On the other hand, as described above, the carbon layer base material (5a) other than the active area where the catalyst layer (the cathode catalyst layer 3c on the cathode side and the anode catalyst layer 3a on the anode side) does not exist in the thickness direction of the MEA. 5c) At least the contact surface side with the electrolyte membrane 2 is filled with an adhesive. According to the form in which the minimum amount of adhesive necessary for adhesion between the electrolyte membrane and the carbon layer base material is filled, it is economically preferable, and the manufacturing cost of MEA can be reduced.

接着剤の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の接着剤が適宜選択されうる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系接着剤、熱可塑性エラストマーなどのホットメルト型接着剤、、アクリル系接着剤などが適宜用いられうる。なかでも、接着のしやすさ、正確な接着位置および長時間接着力などの観点からは、ホットメルト型接着剤が充填されることが好ましい。ホットメルト系接着剤が好ましく使用される。ホットメルト系接着剤を使用する際のホットメルト系接着剤の溶融温度は、取り扱い性(電解質膜への含浸のしやすさ、接着部材の形成しやすさ)、電解質膜の劣化温度、燃料電池としての使用温度での耐久性などを考慮すると、好ましくは100〜200℃、より好ましくは110〜150℃である。   The specific form of the adhesive is not particularly limited, and a conventionally known adhesive can be appropriately selected. For example, polyolefin adhesives such as polyethylene and polypropylene, hot melt adhesives such as thermoplastic elastomers, acrylic adhesives, and the like can be used as appropriate. Especially, it is preferable to fill with a hot-melt adhesive from the viewpoint of easy adhesion, accurate bonding position, and long-time adhesion. Hot melt adhesives are preferably used. The melting temperature of the hot-melt adhesive when using the hot-melt adhesive is easy to handle (easiness of impregnation into the electrolyte membrane, easy to form an adhesive member), deterioration temperature of the electrolyte membrane, fuel cell In view of durability at the use temperature, the temperature is preferably 100 to 200 ° C, more preferably 110 to 150 ° C.

カーボン層基材の接着剤の充填部分に接着剤を充填する手法としては、例えば、真空充填といった手法が例示される。   Examples of the technique for filling the adhesive filling portion of the carbon layer base material with an adhesive include a technique such as vacuum filling.

また、アクティブエリア以外のカーボン層基材(5a、5c)の厚さとしては、MEAの厚み方向に対してガス拡散層が位置する部位については、上述のアクティブエリアにおける厚さに触媒層(3a、3c)の厚さを加えた値となるため、好ましくは5〜150μm、より好ましくは15〜80μmである。さらに、MEAの厚み方向に対してガス拡散層も位置しないいわゆる外周縁部におけるカーボン層基材(5a、5c)の厚さとしては、図1に示すように、アクティブエリアにおける「触媒層の厚さ+カーボン層基材の厚さ+ガス拡散層の厚さ」よりやや小さい値であることが好ましく、具体的には、好ましくは30〜600μm、より好ましくは50〜300μmである。かような形態によれば、単セル積層時のセパレータとガス拡散層との密着性に優れるため、好ましい。   As for the thickness of the carbon layer base material (5a, 5c) other than the active area, the catalyst layer (3a) has a thickness in the active area described above for the portion where the gas diffusion layer is located in the thickness direction of the MEA. 3c), the thickness is preferably 5 to 150 μm, and more preferably 15 to 80 μm. Furthermore, as shown in FIG. 1, the thickness of the carbon layer base material (5a, 5c) at the so-called outer peripheral edge where no gas diffusion layer is located with respect to the thickness direction of the MEA, It is preferably a value slightly smaller than “the thickness + the thickness of the carbon layer base material + the thickness of the gas diffusion layer”, specifically, preferably 30 to 600 μm, more preferably 50 to 300 μm. According to such a form, since the adhesiveness of the separator and gas diffusion layer at the time of single cell lamination | stacking is excellent, it is preferable.

[シール用凸部]
シール用凸部は、上述したように、カーボン層基材(5a、5c)のセパレータ(図示せず)側に配置されうる。この際、シール用凸部が形成される部位は、MEAのシール性を向上させることが可能であれば特に制限されず、カーボン層基材の少なくとも一部と接して形成されればよい。また、ガスや冷却媒体などの流路等により形成されたセパレータの凹部を埋めるようにシール用凸部が点在していてもよい。この他にもカーボン層基材上に形成されたシール用凸部が、セパレータにも形成されたシール用凸部の間に嵌め込まれるように形成されてもよい。
[Seal convex]
As described above, the sealing convex portion can be disposed on the separator (not shown) side of the carbon layer base material (5a, 5c). At this time, the portion where the sealing convex portion is formed is not particularly limited as long as the sealability of the MEA can be improved, and may be formed in contact with at least a part of the carbon layer base material. Moreover, the convex part for a seal | sticker may be scattered so that the recessed part of the separator formed by flow paths, such as gas and a cooling medium, may be filled up. In addition, the sealing convex portion formed on the carbon layer base material may be formed so as to be fitted between the sealing convex portions also formed on the separator.

シール用凸部を構成する材料は、セパレータとMEAとのシール性を確保できる材料であれば特に制限されない。例えば、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等のゴム材料、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)等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等の熱可塑性樹脂などが好ましく挙げられる。これらの材料であれば、弾性変形によりMEAとセパレータとを密着させることができガスシール性が向上する。   The material which comprises the convex part for a seal | sticker will not be restrict | limited especially if it is a material which can ensure the sealing performance of a separator and MEA. For example, rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene Preferable examples include fluorine-based polymer materials such as a copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. With these materials, the MEA and the separator can be brought into close contact with each other by elastic deformation, and the gas sealability is improved.

なお、シール用凸部の形状は、MEAのシール性を向上させることが可能であれば特に制限されず、断面形状が、三角以上の多角形、四辺形、長方形、円柱、円錐台、多角柱、および多角錐台などであってもよい。   The shape of the sealing convex portion is not particularly limited as long as the sealability of the MEA can be improved, and the cross-sectional shape is a triangle or more polygon, quadrilateral, rectangle, cylinder, truncated cone, polygonal column. , And a polygonal frustum.

本発明のMEAの製造方法は特に制限されず、MEAの製造方法についての従来公知の知見を適宜参照することにより、製造可能である。一例を挙げると、図1に示す形態のMEAは、電解質膜2のそれぞれの側に触媒層(3a、3c)を形成し、次いでカーボン層基材(5a、5c)を配置し、最後にガス拡散層(4a、4c)および必要に応じてシール用凸部を配置することにより製造可能である。   The method for producing the MEA of the present invention is not particularly limited, and can be produced by appropriately referring to conventionally known knowledge about the method for producing MEA. As an example, an MEA having the form shown in FIG. 1 forms a catalyst layer (3a, 3c) on each side of the electrolyte membrane 2, then arranges carbon layer substrates (5a, 5c), and finally gas. Manufacture is possible by arranging the diffusion layers (4a, 4c) and, if necessary, sealing convex portions.

本発明のMEAにおいて、カーボン層基材(5a、5c)には、アクティブエリアにおいてはカーボン材料および撥水剤が、アクティブエリア以外の部位の少なくとも電解質膜2との接触面側には接着剤が、それぞれ充填されているが、上記の手法によりMEAを製造する際には、カーボン層基材(5a、5c)を配置した後にこれらの各成分を充填してもよいし、これらの成分が予め充填されたカーボン層基材(5a、5c)を配置してもよい。ここで、カーボン層基材(5a、5c)にカーボン材料および撥水剤を充填する手法としては、例えば、真空充填といった手法が例示される。また、この真空充填は、カーボン層基材(5a、5c)に接着剤を充填する手法としても用いられうる。ただし、これらの手法のみに制限されることはなく、可能であればその他の手法が採用されてもよいことは勿論である。   In the MEA of the present invention, the carbon layer base material (5a, 5c) has a carbon material and a water repellent in the active area, and an adhesive on at least the contact surface side with the electrolyte membrane 2 in a portion other than the active area. However, when the MEA is manufactured by the above-described method, each of these components may be filled after the carbon layer base material (5a, 5c) is arranged. You may arrange | position the carbon layer base material (5a, 5c) with which it filled. Here, as a method for filling the carbon layer base material (5a, 5c) with the carbon material and the water repellent, for example, a method such as vacuum filling is exemplified. This vacuum filling can also be used as a method of filling the carbon layer base material (5a, 5c) with an adhesive. However, it is not limited only to these methods, and other methods may be adopted if possible.

図5は、本発明のMEAの他の好ましい実施形態を示す図である。図5に示す形態においては、カーボン層基材(5a、5c)の、電解質膜2の厚み方向に対してガス拡散層(4a、4c)が位置しない部位(図5に示す部位「C」;以下、「外周部」とも称する)の電解質膜2と対向する面に、カーボン層基材(5a、5c)とは別のガスケット層(6a、6c)がさらに位置する。   FIG. 5 is a diagram showing another preferred embodiment of the MEA of the present invention. In the form shown in FIG. 5, a part of the carbon layer base material (5a, 5c) where the gas diffusion layer (4a, 4c) is not located in the thickness direction of the electrolyte membrane 2 (part “C” shown in FIG. 5; Hereinafter, a gasket layer (6a, 6c) different from the carbon layer base material (5a, 5c) is further positioned on the surface of the “peripheral portion” facing the electrolyte membrane 2.

図5に示す形態によれば、より簡便な手法を用いてMEAを製造することが可能である。また、かような形態によれば、外周部におけるガスシール部材として、カーボン層基材(5a、5c)およびガスケット層(6a、6c)が用いられうるため、ガスシール部材の構成材料の選択の自由度が向上しうる。なお、ガスケット層(6a、6c)は、外周部においてカーボン層基材(5a、5c)に充填された接着剤により、カーボン層基材(5a、5c)に接着しうる。   According to the embodiment shown in FIG. 5, MEA can be manufactured using a simpler method. Moreover, according to such a form, since a carbon layer base material (5a, 5c) and a gasket layer (6a, 6c) can be used as a gas seal member in an outer peripheral part, selection of the constituent material of a gas seal member is possible. The degree of freedom can be improved. The gasket layers (6a, 6c) can be bonded to the carbon layer base materials (5a, 5c) with an adhesive filled in the carbon layer base materials (5a, 5c) at the outer peripheral portion.

ガスケット層(6a、6c)を構成する材料は特に制限されないが、例えば、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。   The material constituting the gasket layer (6a, 6c) is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), and (polyvinylidene fluoride (PVDF)). It is done.

ガスケット層(6a、6c)の厚さは、特に制限されないが、上記の形態と同様の観点からガスケット層の上面をガス拡散層の上面よりやや低く設定することを考慮すると、好ましくは10〜450μmであり、より好ましくは40〜250μmである。   The thickness of the gasket layer (6a, 6c) is not particularly limited, but preferably 10 to 450 μm in consideration of setting the upper surface of the gasket layer slightly lower than the upper surface of the gas diffusion layer from the same viewpoint as the above embodiment. More preferably, it is 40-250 micrometers.

なお、必要であれば、カーボン層基材(5a、5c)とガスケット層(6a、6c)との間にさらに接着層を設け、これらの接着性をより一層向上させてもよい。かような接着層の具体的な構成は特に制限されないが、接着層の構成材料としては、例えば、ホットメルト型接着剤が挙げられる。また、かような接着層の厚さも特に制限されないが、5〜20μm程度とすればよい。   If necessary, an adhesive layer may be further provided between the carbon layer base material (5a, 5c) and the gasket layer (6a, 6c) to further improve the adhesion. Although the specific structure of such an adhesive layer is not particularly limited, examples of the constituent material of the adhesive layer include a hot melt adhesive. The thickness of the adhesive layer is not particularly limited, but may be about 5 to 20 μm.

図5に示す形態のMEAの製造方法もまた、特に制限されない。例えば、図5に示す形態のMEAは、電解質膜2のそれぞれの側に触媒層(3a、3c)を形成し、次いでカーボン層基材(5a、5c)を配置し、ガス拡散層(4a、4c)およびガスケット層(6a、6c)をいずれかを先にまたは同時に配置し、ガスケット層(6a、6c)の配置後に必要に応じてシール用凸部を配置することにより製造可能である。この際、カーボン層基材(5a、5c)への各成分の充填のタイミングについては、上記で説明した通りである。   The method for manufacturing the MEA having the form shown in FIG. 5 is not particularly limited. For example, in the MEA having the form shown in FIG. 5, the catalyst layers (3a, 3c) are formed on the respective sides of the electrolyte membrane 2, the carbon layer base materials (5a, 5c) are then disposed, and the gas diffusion layers (4a, 4c) and the gasket layer (6a, 6c) can be manufactured either by arranging them first or at the same time, and after placing the gasket layers (6a, 6c), if necessary, by arranging sealing protrusions. At this time, the timing of filling each component into the carbon layer base material (5a, 5c) is as described above.

図5に示す形態においては、電解質膜2の厚み方向に対して触媒層(3a、3c)が位置せずガス拡散層(4a、4c)が位置する部位(部位「B」)と、ガス拡散層(4a、4c)が位置しない部位(外周部;部位「C」)とで、カーボン層基材(5a、5c)の厚みが略同一である。なお、「略同一」とは、部位「B」と部位「C」との間での厚みの差が±20μmであることを意味する。ただし、上述したようにカーボン層基材(5a、5c)とは別のガスケット層(6a、6c)を配置する場合には、図6に示すように、外周部(図6に示す部位「C」)のカーボン層基材(5a、5c)の厚みを、触媒層(3a、3c)が位置せずガス拡散層(4a、4c)が位置する部位(図6に示す部位「B」)と比較して薄くすることが好ましい。かような形態によれば、図5に示す形態と比較して、MEA製造時の各部材の位置合わせが容易となる。すなわち、図6に示す形態のMEAを製造する際には、触媒層(3a、3c)の形成後にカーボン層基材(5a、5c)を配置し、次いでガスケット層(6a、6c)を配置した後に、ガス拡散層(4a、4c)および必要に応じてシール用凸部を配置することで、ガスケット層およびガス拡散層の位置合わせが精密に制御されうる。かような形態において、部位「B」と部位「C」とでの厚さの差は特に制限されないが、部位「C」におけるカーボン層基材の厚みが、部位「B」におけるカーボン層基材の厚みに対して10〜90%であることが好ましく、30〜70%であることがより好ましい。   In the form shown in FIG. 5, the portion where the catalyst layers (3a, 3c) are not located and the gas diffusion layers (4a, 4c) are located with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane 2 (part “B”), and the gas diffusion The thickness of the carbon layer base material (5a, 5c) is substantially the same in the part (outer peripheral part; part "C") where the layer (4a, 4c) is not located. Note that “substantially the same” means that the difference in thickness between the portion “B” and the portion “C” is ± 20 μm. However, as described above, when the gasket layer (6a, 6c) different from the carbon layer base material (5a, 5c) is disposed, as shown in FIG. )) With respect to the thickness of the carbon layer base (5a, 5c) and the portion where the catalyst layers (3a, 3c) are not located and the gas diffusion layers (4a, 4c) are located (portion "B" shown in FIG. 6). It is preferable to make it thinner. According to such a form, compared with the form shown in FIG. 5, the alignment of each member at the time of MEA manufacture becomes easy. That is, when the MEA having the form shown in FIG. 6 is manufactured, the carbon layer base materials (5a, 5c) are arranged after the formation of the catalyst layers (3a, 3c), and then the gasket layers (6a, 6c) are arranged. Later, by arranging the gas diffusion layers (4a, 4c) and sealing protrusions as necessary, the alignment of the gasket layer and the gas diffusion layer can be precisely controlled. In such a form, the difference in thickness between the part “B” and the part “C” is not particularly limited, but the thickness of the carbon layer base material in the part “C” is equal to the carbon layer base material in the part “B”. It is preferable that it is 10 to 90% with respect to the thickness of, and it is more preferable that it is 30 to 70%.

上述したように、本発明のMEAにおいて、カーボン層基材(5a、5c)のアクティブエリア以外の部位には接着剤が充填されている。このため、場合によっては、カーボン層基材に充填された接着剤が、当該カーボン層基材中をアクティブエリアへと移動する可能性がある。接着剤がカ−ボン基材を通じて、触媒層、ガス拡散層のアクティブエリアへと移動すると、ガスの拡散が阻害され、電池性能が低下する虞がある。従って、アクティブエリアへのかような接着剤の移動を抑制する処理を施すことが好ましい。   As described above, in the MEA of the present invention, a part other than the active area of the carbon layer base material (5a, 5c) is filled with an adhesive. For this reason, in some cases, the adhesive filled in the carbon layer base material may move in the carbon layer base material to the active area. When the adhesive moves through the carbon substrate to the active area of the catalyst layer and the gas diffusion layer, gas diffusion is hindered and battery performance may be deteriorated. Therefore, it is preferable to perform a process for suppressing the movement of the adhesive to the active area.

かような処理としては、例えば、図7に示すように、ガス拡散層(4a、4c)の周縁部(図7に示す網掛け部)および/またはカーボン層基材(5a、5c)の前記周縁部に隣接する部位(図7に示す網掛け部)の空隙率を低くする(低空隙率部(7a、7c)とする)ことが挙げられる。かような低空隙率部(7a、7c)を設ける場合、具体的な空隙率の値は特に制限されない。例えば、一般的なガス拡散層の構成材料の空隙率は50〜90%であるが、ガス拡散層部分に設けられる低空隙率部の空隙率は、好ましくは5〜50%、より好ましくは10〜30%とすればよい。また、カーボン基材層の構成材料の空隙率は通常50〜90%であるが、カーボン層基材部分に設けられる低空隙率部の空隙率は、好ましくは5〜50%、より好ましくは10〜30%とすればよい。なお、図5に示す形態においては、ガス拡散層(4a、4c)およびカーボン層基材(5a、5c)の双方の周縁部に低空隙率部(7a、7c)が設けられているが、かような形態のみには制限されず、ガス拡散層(4a、4c)またはカーボン層基材(5a、5c)のいずれか一方の周縁部のみに低空隙率部が設けられる形態もまた、採用されうる。   As such a process, for example, as shown in FIG. 7, the peripheral portions (shaded portions shown in FIG. 7) of the gas diffusion layers (4a, 4c) and / or the carbon layer base materials (5a, 5c) For example, the porosity of the portion adjacent to the peripheral portion (the shaded portion shown in FIG. 7) is reduced (referred to as low porosity portions (7a, 7c)). When providing such a low porosity part (7a, 7c), the specific value of the porosity is not particularly limited. For example, the porosity of the material constituting the general gas diffusion layer is 50 to 90%, but the porosity of the low porosity portion provided in the gas diffusion layer portion is preferably 5 to 50%, more preferably 10%. It may be ˜30%. Further, the porosity of the constituent material of the carbon base material layer is usually 50 to 90%, but the porosity of the low porosity portion provided in the carbon layer base material portion is preferably 5 to 50%, more preferably 10%. It may be ˜30%. In addition, in the form shown in FIG. 5, although the low porosity part (7a, 7c) is provided in the peripheral part of both the gas diffusion layer (4a, 4c) and the carbon layer base material (5a, 5c), It is not restricted only to such a form, The form by which a low porosity part is provided only in any one peripheral part of a gas diffusion layer (4a, 4c) or a carbon layer base material (5a, 5c) is also employ | adopted. Can be done.

低空隙率部を設けるための低空隙率化処理の具体的な手法について、特に制限はない。例えば、簡便な手法としては、ガス拡散層およびカーボン基材層に充填される撥水剤の含有量を、低空隙率部としたい部位において、他の部位と比較して多くするという手法が例示される。この際、充填される撥水剤の含有量の具体的な値や他の部位と比較した含有量比などは特に制限されず、上述した空隙率の好ましい値が達成されるように、適宜調節すればよい。   There is no restriction | limiting in particular about the specific method of the porosity reduction process for providing a low porosity part. For example, as a simple method, a method of increasing the content of the water repellent filled in the gas diffusion layer and the carbon base material layer in a portion where the low porosity portion is desired as compared with other portions is exemplified. Is done. At this time, the specific value of the content of the water repellent to be filled and the content ratio compared with other parts are not particularly limited, and are appropriately adjusted so that the preferable value of the porosity described above is achieved. do it.

本発明のMEAは、上述した通り、簡便な作業によって作製可能である。さらに、本発明によれば、単セル積層時の耐久性に優れるMEAが提供されうる。   As described above, the MEA of the present invention can be produced by a simple operation. Furthermore, according to the present invention, an MEA having excellent durability when single cells are stacked can be provided.

本発明のMEAが用いられる燃料電池の種類は、特に限定されない。上記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、本発明のMEAは、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にも適用可能である。なかでも小型かつ高密度/高出力化が可能であるという観点から、本発明のMEAは、好ましくは固体高分子型燃料電池に適用される。   The type of fuel cell in which the MEA of the present invention is used is not particularly limited. In the above description, the solid polymer fuel cell has been described as an example. In addition to this, the MEA of the present invention is an alkaline fuel cell, an acid electrolyte fuel cell represented by a phosphoric acid fuel cell, a direct fuel cell, and the like. It can also be applied to methanol fuel cells, micro fuel cells, and the like. Among these, the MEA of the present invention is preferably applied to a polymer electrolyte fuel cell from the viewpoint of being small and capable of high density / high output.

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.

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、燃料電池に適用され、燃料電池製造時の作業に必要な工数を低減させうる。また、本発明のMEAは、燃料電池の耐久性を向上させうる。   The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention is applied to a fuel cell and can reduce the number of man-hours required for the work for manufacturing the fuel cell. Moreover, the MEA of the present invention can improve the durability of the fuel cell.

本発明のMEAの好ましい一実施形態を示す図である。It is a figure which shows preferable one Embodiment of MEA of this invention. 本発明のMEAの他の好ましい実施形態を示す図である。It is a figure which shows other preferable embodiment of MEA of this invention. 本発明のMEAのさらに他の好ましい実施形態を示す図である。It is a figure which shows other preferable embodiment of MEA of this invention. 本発明のMEAにおける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 cathode catalyst layer and anode catalyst layer in MEA of this invention. 本発明のMEAのさらに他の好ましい実施形態を示す図である。It is a figure which shows other preferable embodiment of MEA of this invention. 本発明のMEAのさらに他の好ましい実施形態を示す図である。It is a figure which shows other preferable embodiment of MEA of this invention. 本発明のMEAのさらに他の好ましい実施形態を示す図である。It is a figure which shows other preferable embodiment of MEA of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜−電極接合体、
2 電解質膜、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4a アノード側ガス拡散層、
4c カソード側ガス拡散層、
5a アノード側カーボン層基材、
5c カソード側カーボン層基材、
6a アノード側ガスケット層、
6c カソード側ガスケット層、
7a アノード側低空隙率部、
7c カソード側低空隙率部。
1 electrolyte membrane-electrode assembly,
2 electrolyte membrane,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a anode side gas diffusion layer,
4c cathode side gas diffusion layer,
5a Anode-side carbon layer substrate,
5c cathode side carbon layer base material,
6a Anode side gasket layer,
6c cathode side gasket layer,
7a Anode-side low porosity part,
7c Cathode side low porosity part.

Claims (11)

電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に位置する、カソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の側に位置する、アノード触媒層と、
前記カソード触媒層の前記電解質膜と対向する面に位置する、カソード側ガス拡散層と、
前記アノード触媒層の前記電解質膜と対向する面に位置する、アノード側ガス拡散層と、
カソード側またはアノード側の少なくとも一方に位置する、前記電解質膜の厚み方向に対して前記触媒層が位置する部位では前記触媒層と前記ガス拡散層との間に介在し、前記ガス拡散層が位置しない部位では前記電解質膜に隣接し、端部が前記厚み方向に対して前記電解質膜の端部と略一致する、カーボン層基材と、
を有し、前記カーボン層基材の前記触媒層が位置する部位にはカーボン材料および撥水剤が充填されてなり、前記カーボン層基材の前記触媒層が位置しない部位の少なくとも前記電解質膜との接触面側には接着剤が充填されてなる、電解質膜−電極接合体。
An electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer located on one side of the electrolyte membrane;
An anode catalyst layer located on the other side of the electrolyte membrane;
A cathode-side gas diffusion layer located on a surface of the cathode catalyst layer facing the electrolyte membrane;
An anode-side gas diffusion layer located on a surface of the anode catalyst layer facing the electrolyte membrane;
At the part where the catalyst layer is located in at least one of the cathode side or the anode side with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane, the catalyst layer is interposed between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer is located. A carbon layer base material that is adjacent to the electrolyte membrane at a portion that does not, and whose end substantially coincides with the end of the electrolyte membrane in the thickness direction;
A portion of the carbon layer substrate where the catalyst layer is located is filled with a carbon material and a water repellent, and at least the electrolyte membrane of the portion of the carbon layer substrate where the catalyst layer is not located An electrolyte membrane-electrode assembly in which the contact surface side is filled with an adhesive.
前記カーボン層基材が、前記電解質膜の厚み方向に対して前記触媒層が位置する部位では前記触媒層と前記ガス拡散層との間に介在し、前記触媒層が位置せず前記ガス拡散層が位置する部位では前記電解質膜と前記ガス拡散層との間に介在し、前記ガス拡散層が位置しない部位では前記電解質膜に隣接し、端部が前記厚み方向に対して前記電解質膜の端部と略一致する、請求項1に記載の電解質膜−電極接合体。   The carbon layer base material is interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer at a portion where the catalyst layer is located with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane, and the gas diffusion layer is not located. Is located between the electrolyte membrane and the gas diffusion layer at a portion where the gas diffusion layer is located, is adjacent to the electrolyte membrane at a portion where the gas diffusion layer is not located, and an end portion is an end of the electrolyte membrane with respect to the thickness direction. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, which substantially coincides with the portion. 前記カーボン層基材が、カソード側およびアノード側の双方に存在する、請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the carbon layer substrate is present on both the cathode side and the anode side. 前記カーボン層基材の前記厚み方向に対して前記ガス拡散層が位置しない部位の前記電解質膜と対向する面に位置するガスケット層をさらに有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The gasket layer according to any one of claims 1 to 3, further comprising a gasket layer positioned on a surface facing the electrolyte membrane in a portion where the gas diffusion layer is not positioned with respect to the thickness direction of the carbon layer base material. Electrolyte membrane-electrode assembly. 前記厚み方向に対して前記触媒層が位置せず前記ガス拡散層が位置する部位と、前記ガス拡散層が位置しない部位とで、前記カーボン層基材の厚みが略同一である、請求項4に記載の電解質膜−電極接合体。   The thickness of the carbon layer base material is substantially the same in a portion where the catalyst layer is not located and the portion where the gas diffusion layer is located and a portion where the gas diffusion layer is not located in the thickness direction. 2. The electrolyte membrane-electrode assembly according to 1. 前記厚み方向に対して前記ガス拡散層が位置しない部位の前記カーボン層基材の厚みが、前記触媒層が位置せず前記ガス拡散層が位置する部位と比較して薄い、請求項4に記載の電解質膜−電極接合体。   The thickness of the carbon layer base material at a portion where the gas diffusion layer is not located with respect to the thickness direction is thinner than a portion where the catalyst layer is not located and the gas diffusion layer is located. Electrolyte membrane-electrode assembly. 前記ガス拡散層が、その周縁部の少なくとも一部に、空隙率が前記ガス拡散層の他の部位と比較して小さい低空隙率部を有する、または、前記カーボン層基材が、前記周縁部に隣接する部位の少なくとも一部に、空隙率が前記カーボン層基材の他の部位と比較して小さい低空隙率部を有する、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。   The gas diffusion layer has a low porosity part whose porosity is small compared to other parts of the gas diffusion layer in at least a part of the peripheral part, or the carbon layer base material is the peripheral part. The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, which has a low porosity part having a porosity lower than that of the other part of the carbon layer base material in at least a part of a part adjacent to the carbon layer base material. Electrode assembly. 前記低空隙率部においては、前記撥水剤の含有量が前記他の部位と比較して多い、請求項7に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 7, wherein the content of the water repellent is higher in the low porosity part than in the other part. 前記アノード触媒層の面積が、前記カソード触媒層の面積よりも大きい、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。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein an area of the anode catalyst layer is larger than an area of the cathode catalyst layer. 前記接着剤がホットメルト型接着剤である、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。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the adhesive is a hot melt adhesive. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 10.
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