JP2007066805A - Gas diffusion layer, gas diffusion electrode, and membrane electrode assembly - Google Patents

Gas diffusion layer, gas diffusion electrode, and membrane electrode assembly Download PDF

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美貴子 吉村
Yoshihiro Hori
堀  喜博
Akihiko Yoshida
昭彦 吉田
Masaki Yamauchi
将樹 山内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode and a membrane electrode assembly which easily and securely achieve a polyelectrolyte fuel cell which can suppress the decomposition degradation of a polyelectrolyte membrane over a long period, sufficiently prevent the degradation in the initial characteristics, and has an excellent durability even if the operation and the stopping are repeated. <P>SOLUTION: The gas diffusion layer comprises a gas diffusion layer base material which contains a water-repellent carbon layer containing a conductive carbon and a water-repellent material, and a gas diffusion layer base material supporting the water-repellent carbon layer and containing a water-repellent material. The outer edge part of the water-repellent carbon layer is made to be 10 to 100 μm higher than the center part of the water-repellent carbon layer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池に用いられるガス拡散層、ガス拡散電極および膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode, and a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池(FC)は発電効率が高く、環境への負荷も小さいことから、分散型エネルギーシステムとして、今後の普及が見込まれている。なかでも、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質を用いた高分子電解質形燃料電池は、出力密度が高く、その作動温度が低く、小型化が可能であることから、自動車などの移動体、分散発電システムおよび家庭用のコージェネレーションシステムなどに利用されることが期待されている。   Since fuel cells (FC) have high power generation efficiency and a low environmental load, they are expected to spread in the future as distributed energy systems. In particular, polymer electrolyte fuel cells using a polymer electrolyte having cation (hydrogen ion) conductivity have high output density, low operating temperature, and can be miniaturized. It is expected to be used in mobile units, distributed power generation systems, and home cogeneration systems.

従来の高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。ここで、図9は、従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図10は、図9に示す膜電極接合体100を搭載する高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。   A conventional polymer electrolyte fuel cell generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. Here, FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of a membrane-electrode assembly (MEA) mounted on a conventional polymer electrolyte fuel cell. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of a unit cell mounted on a polymer electrolyte fuel cell on which the membrane electrode assembly 100 shown in FIG. 9 is mounted.

図9に示すように、膜触媒層接合体100においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜101の両面に、電極触媒(例えば白金系の金属触媒)をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含む触媒層102が形成される。高分子電解質膜101としては、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名)など)が一般的に使用されている。   As shown in FIG. 9, in the membrane catalyst layer assembly 100, an electrode catalyst (for example, a platinum-based metal catalyst) is supported on carbon powder on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 101 that selectively transports hydrogen ions. A catalyst layer 102 containing the obtained catalyst-supporting carbon and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity is formed. As the polymer electrolyte membrane 101, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA) is generally used.

膜電極接合体100は、触媒層102の外面に、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーなどのガス拡散層基材104と撥水カーボン層105とで構成され、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層103を有する。この触媒層102とガス拡散層103との組合せにより電極(アノードまたはカソード)が構成される。
さらに、高分子電解質形燃料電池の基本構成である単電池は、図10に示すように、膜電極接合体100と、ガスケット106と、一対のセパレータ107とで構成される。ガスケット106は、供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、電極の周囲に高分子電解質膜101を挟んで配置される。ガスケット106は、電極および高分子電解質膜101とあらかじめ一体化されている。なお、高分子電解質膜101、一対の電極(触媒層102およびガス拡散層103)およびガスケット106を組み合わせたものを膜電極接合体と呼ぶこともある。
The membrane electrode assembly 100 includes a gas diffusion layer base material 104 such as carbon paper subjected to water repellent treatment and a water repellent carbon layer 105 on the outer surface of the catalyst layer 102, and has both air permeability and electronic conductivity. A gas diffusion layer 103 is provided. The combination of the catalyst layer 102 and the gas diffusion layer 103 constitutes an electrode (anode or cathode).
Furthermore, the unit cell, which is the basic configuration of the polymer electrolyte fuel cell, includes a membrane electrode assembly 100, a gasket 106, and a pair of separators 107, as shown in FIG. The gasket 106 is disposed around the electrode with the polymer electrolyte membrane 101 interposed therebetween in order to prevent leakage and mixing of the supplied fuel gas and oxidant gas to the outside. The gasket 106 is integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane 101 in advance. A combination of the polymer electrolyte membrane 101, the pair of electrodes (catalyst layer 102 and gas diffusion layer 103) and the gasket 106 may be referred to as a membrane electrode assembly.

膜電極接合体100の外側には、膜電極接合体100を機械的に固定するための一対のセパレータ107が配置される。セパレータ107の膜電極接合体100と接触する部分には、電極に反応ガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)を供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から電極外部に運び去るためのガス流路107aが形成される。ガス流路107aはセパレータ107と別に設けることもできるが、図10に示すようにセパレータ107の表面に溝を設けてガス流路107aを形成する方式が一般的である。また、セパレータ107の膜電極接合体100とは反対の側には、切削により溝を設けて、冷却水流路107bが形成されている。   A pair of separators 107 for mechanically fixing the membrane electrode assembly 100 is disposed outside the membrane electrode assembly 100. A reaction gas (fuel gas or oxidant gas) is supplied to the electrode of the separator 107 in contact with the membrane electrode assembly 100, and an electrode reaction product and a gas containing an unreacted reaction gas are supplied from the reaction field to the outside of the electrode. A gas flow path 107a for carrying away is formed. Although the gas flow path 107a can be provided separately from the separator 107, a method of forming a gas flow path 107a by providing a groove on the surface of the separator 107 as shown in FIG. Further, on the side of the separator 107 opposite to the membrane electrode assembly 100, a groove is formed by cutting to form a cooling water flow path 107b.

このように、一対のセパレータ107で膜電極接合体100を固定し、一方のセパレータ107のガス流路107aに燃料ガスを供給し、他方のセパレータ107のガス流路107aに酸化剤ガスを供給することで、数十から数百mA/cm2の実用電流密度通電時において、一つの単電池で0.7〜0.8V程度の起電力を発生させることができる。しかし、通常、高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、単電池を必要とする個数だけ直列に連結してスタックとして使用する。 Thus, the membrane electrode assembly 100 is fixed by the pair of separators 107, the fuel gas is supplied to the gas flow path 107a of one separator 107, and the oxidant gas is supplied to the gas flow path 107a of the other separator 107. Thus, an electromotive force of about 0.7 to 0.8 V can be generated with one single battery when a practical current density of several tens to several hundred mA / cm 2 is applied. However, when a polymer electrolyte fuel cell is normally used as a power source, a voltage of several to several hundred volts is required. In practice, the required number of cells are connected in series and stacked. Use as

ガス流路107aに反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ107の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先を直接セパレータ107上のガス流路107aにつなぎ込む部材であるマニホールドが必要となる。特に反応ガスを供給する外部の配管から直接セパレータ107につなぎ込むタイプのマニホールドを、外部マニホールドと呼ぶ。一方、より簡単な構造を有する内部マニホールドと呼ばれるものもある。内部マニホールドは、ガス流路107aを形成したセパレータ107に設けられた貫通孔で構成され、ガス流路107aの出入り口をこの孔に連通させて、この貫通孔から直接反応ガスをガス流路107aに供給することができる。   In order to supply the reaction gas to the gas flow path 107a, the piping for supplying the reaction gas is branched into a number corresponding to the number of separators 107 to be used, and the branch destinations are directly connected to the gas flow path 107a on the separator 107. Manifolds that are members to be connected to are required. In particular, a manifold of the type that is directly connected to the separator 107 from an external pipe that supplies reaction gas is called an external manifold. On the other hand, there is a so-called internal manifold having a simpler structure. The internal manifold is constituted by a through hole provided in the separator 107 in which the gas flow path 107a is formed. The inlet / outlet of the gas flow path 107a is communicated with this hole, and the reaction gas is directly passed from the through hole to the gas flow path 107a. Can be supplied.

ここで、触媒層102は、主に4つの機能を持つ。第1の機能は、ガス拡散層103から供給された反応ガスを、触媒層102の反応サイトに供給する機能であり、第2の機能は、電極触媒上での反応に必要な水素イオンまたは生成された水素イオンを伝導する機能である。また、第3の機能は、反応に必要な電子または生成された電子を伝導する機能であり、第4の機能は、高い触媒性能とその広い反応面積によって電極反応を速める機能である。即ち、触媒層112には、高い反応ガス透過性、水素イオン伝導性、電子伝導性および触媒性能が必要となる。   Here, the catalyst layer 102 mainly has four functions. The first function is a function of supplying the reaction gas supplied from the gas diffusion layer 103 to the reaction site of the catalyst layer 102, and the second function is hydrogen ions or generation necessary for the reaction on the electrode catalyst. It is a function to conduct the generated hydrogen ions. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction or the generated electrons, and the fourth function is a function of accelerating the electrode reaction by high catalyst performance and its wide reaction area. That is, the catalyst layer 112 needs high reaction gas permeability, hydrogen ion conductivity, electron conductivity, and catalyst performance.

一般的に、触媒層102としては、ガス透過能を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末または造孔材を用いて、多孔質構造およびガスチャンネルを有する触媒層が形成されている。また、水素イオン透過能を持たせるために、高分子電解質を触媒層102中の電極触媒近傍に分散させて水素イオンネットワークを形成することが行われている。さらに、電子伝導性を持たせるために、電極触媒の担体としてカーボン微粉末やカーボン繊維などの電子伝導性材料を用い、電子チャンネルを形成することが行われている。また、触媒性能を向上させるために、粒径が数nmの非常に微細な粒子状の電極触媒をカーボン微粉末上に担持させた触媒体を、触媒層102中に高分散させることが行われている。   In general, as the catalyst layer 102, a catalyst layer having a porous structure and a gas channel is formed using a fine carbon powder or a pore-forming material having a developed structure structure in order to have gas permeability. Yes. In order to provide hydrogen ion permeability, a polymer electrolyte is dispersed in the vicinity of the electrode catalyst in the catalyst layer 102 to form a hydrogen ion network. Further, in order to provide electron conductivity, an electron channel is formed by using an electron conductive material such as carbon fine powder or carbon fiber as an electrode catalyst carrier. In order to improve the catalyst performance, a catalyst body in which a very fine particle electrode catalyst having a particle size of several nm is supported on a fine carbon powder is highly dispersed in the catalyst layer 102. ing.

つぎに、ガス拡散層103は、主につぎの3つの機能を持つ。第1の機能は、ガス拡散層103の外側に位置するセパレータ107のガス流路107aから、触媒層102中の電極触媒へ均一に反応ガスを供給するために、該反応ガスを拡散させる機能であり、第2の機能は、触媒層102で反応により生成した水を速やかにガス流路107aに排出する機能である。また、第3の機能は、反応に必要な電子または生成された電子を伝導する機能である。即ち、ガス拡散層103には、高い反応ガス透過性、水分排出性および電子伝導性が必要とされる。   Next, the gas diffusion layer 103 mainly has the following three functions. The first function is a function of diffusing the reaction gas in order to uniformly supply the reaction gas from the gas flow path 107a of the separator 107 located outside the gas diffusion layer 103 to the electrode catalyst in the catalyst layer 102. The second function is a function for quickly discharging water generated by the reaction in the catalyst layer 102 to the gas flow path 107a. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction or generated electrons. In other words, the gas diffusion layer 103 is required to have high reactive gas permeability, moisture exhaustability, and electronic conductivity.

一般的に、ガス拡散層103は、図9に示すように、ガス拡散層基材104と、ガス拡散層基材104の触媒層102と接する面に設けられた、撥水性材料と導電性カーボンとで構成される撥水カーボン層105と、で構成される。ガス拡散層基材104としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材が用いられる。また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層基材104の中に分散させることが行われ、さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層基材104を構成することも行われている。   In general, as shown in FIG. 9, the gas diffusion layer 103 is formed of a water-repellent material and conductive carbon provided on the surface of the gas diffusion layer base material 104 and the surface of the gas diffusion layer base material 104 in contact with the catalyst layer 102. And a water repellent carbon layer 105 composed of The gas diffusion layer base material 104 has a porous structure made of carbon fine powder, pore former, carbon paper or carbon cloth having a developed structure structure in order to give gas permeability. A conductive substrate is used. Further, in order to provide drainage, water repellent polymer such as fluororesin is dispersed in the gas diffusion layer base material 104, and in addition, carbon is provided in order to provide electron conductivity. The gas diffusion layer substrate 104 is also composed of an electron conductive material such as fiber, metal fiber, or carbon fine powder.

ここで、高分子電解質形燃料電池の実用化に向けて、上記のような膜電極接合体について、性能の向上のための様々な検討が行われている。例えば、特許文献1および2においては、高分子電解質膜のうちの電極周辺部に位置する部位の劣化を抑制するため、高分子電解質膜そのものの機械的強度および耐熱性を強化することを意図した技術が提案されている。具体的には、高分子電解質膜のうちの電極周辺部に位置する部位を繊維材料で補強する方法や、膨潤収縮を抑制するために、上記部位のみ含水率の低いイオン交換樹脂で構成する方法が提案されている。   Here, various studies for improving the performance of the membrane electrode assembly as described above have been conducted for the practical application of the polymer electrolyte fuel cell. For example, Patent Documents 1 and 2 intend to enhance the mechanical strength and heat resistance of the polymer electrolyte membrane itself in order to suppress degradation of the portion of the polymer electrolyte membrane located in the periphery of the electrode. Technology has been proposed. Specifically, a method of reinforcing a portion of the polymer electrolyte membrane located in the periphery of the electrode with a fiber material, or a method of constituting only the above portion with an ion exchange resin having a low water content in order to suppress swelling and shrinkage Has been proposed.

また、触媒層については、例えば特許文献3および4において、高分子電解質膜のうちの電極周辺部に位置する部位の劣化抑制を意図した触媒層の構造が提案されている。具体的には、高分子電解質膜を挟んで形成されるカソードおよびアノードの外周部が重合しない構造や、放熱促進の観点から触媒層外周部に耐火層を設ける構造が提案されている。
特開平08-185872号公報 特開2000-223136号公報 特開平10-172587号公報 特開平07-201346号公報
As for the catalyst layer, for example, Patent Documents 3 and 4 propose a structure of the catalyst layer intended to suppress deterioration of a portion located in the periphery of the electrode in the polymer electrolyte membrane. Specifically, a structure in which the outer periphery of the cathode and the anode formed with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween is not polymerized, or a structure in which a refractory layer is provided on the outer periphery of the catalyst layer from the viewpoint of promoting heat dissipation has been proposed.
Japanese Patent Laid-Open No. 08-185872 JP 2000-223136 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-172587 Japanese Unexamined Patent Publication No. 07-201346

しかしながら、上記のような従来技術は、高分子電解質膜の機械的強度および耐熱性を向上させることを意図して提案されているものであり、燃料電池を長期にわたり運転することを想定した場合のガス拡散層、ガス拡散電極および膜電極接合体、さらには燃料電池の耐久性や寿命特性を向上させることについては十分には検討されていなかった。   However, the prior art as described above has been proposed with the intention of improving the mechanical strength and heat resistance of the polymer electrolyte membrane. In the case of assuming that the fuel cell is operated for a long time. It has not been sufficiently studied to improve the durability and life characteristics of the gas diffusion layer, the gas diffusion electrode, the membrane electrode assembly, and the fuel cell.

具体的には、上記特許文献1および2に記載の技術に基づいて高分子電解質膜の耐久性を補強するだけでは、燃料電池を長期にわたり運転することを想定した場合の膜電極接合体の劣化を十分に防止することはできず、高寿命で高効率な膜電極接合体の実現を目指す観点からは未だ改善の余地があった。また、上記特許文献3および4に記載の技術に基づく高分子電解質膜の劣化抑制も十分ではなく、高寿命で高効率な膜電極接合体の実現を目指す観点からは未だ改善の余地があった。即ち、上記特許文献1〜4に記載の燃料電池においては、耐久性および寿命特性の観点から、未だ改善の余地があった。   Specifically, the deterioration of the membrane electrode assembly when it is assumed that the fuel cell is operated over a long period of time only by reinforcing the durability of the polymer electrolyte membrane based on the techniques described in Patent Documents 1 and 2 above. However, there is still room for improvement from the viewpoint of realizing a membrane electrode assembly with a long life and high efficiency. In addition, deterioration suppression of the polymer electrolyte membrane based on the techniques described in Patent Documents 3 and 4 is not sufficient, and there is still room for improvement from the viewpoint of realizing a long-life and high-efficiency membrane electrode assembly. . That is, the fuel cells described in Patent Documents 1 to 4 still have room for improvement from the viewpoint of durability and life characteristics.

本発明は以上の観点に鑑みてなされたものであり、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現し得るガス拡散層、ガス拡散電極および膜電極接合体を提供することを目的とする。また、本発明は、上記の本発明のガス拡散電極、ガス拡散層および膜電極接合体を用い、初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above viewpoints, and even if the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell are repeated, the degradation of the polymer electrolyte membrane can be suppressed over a long period of time, and the initial characteristics are lowered. An object of the present invention is to provide a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode and a membrane electrode assembly capable of easily and reliably realizing a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability that can sufficiently prevent the above. In addition, the present invention uses the gas diffusion electrode, gas diffusion layer, and membrane electrode assembly of the present invention, can sufficiently prevent deterioration of initial characteristics, and exhibits sufficient battery performance over a long period of time. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell having

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、触媒層外周部に位置するガス拡散層が、高分子電解質膜の耐久性に大きく影響を与えている可能性について検討し、ガス拡散層の構成を下記の構成に工夫することにより、膜電極接合体の耐久性を向上させ得ることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、
電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
触媒層とガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
撥水カーボン層は、触媒層が配置されるべき中心部に対し触媒層の外周部より外側に位置することになる外縁部が10〜100μm高くなっており、かつ、該外縁部は触媒層の側面の少なくとも一部を被覆するように形成されていること、
を特徴とするガス拡散層を提供する。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have studied the possibility that the gas diffusion layer located on the outer periphery of the catalyst layer has a great influence on the durability of the polymer electrolyte membrane. The inventors have found that the durability of the membrane electrode assembly can be improved by devising the configuration of the gas diffusion layer to the following configuration, and the present invention has been achieved.
That is, the present invention
A gas diffusion layer that is used in a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst and serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer substrate and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water repellent carbon layer has an outer edge portion that is located outside the outer peripheral portion of the catalyst layer with respect to the central portion where the catalyst layer is to be disposed, and the outer edge portion is 10 to 100 μm higher. Formed so as to cover at least a part of the side surface;
A gas diffusion layer is provided.

上記の本発明のガス拡散層を、高分子電解質形燃料電池の少なくとも一方のガス拡散電極に用いることにより、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって高分子電解質膜の分解劣化を抑制することができ、かつ初期特性の低下を十分に防止できる、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を容易かつ確実に実現し得るガス拡散層を構成することができる。   By using the gas diffusion layer of the present invention as at least one gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte membrane can be decomposed over a long period of time even when the polymer electrolyte fuel cell is repeatedly operated and stopped. It is possible to configure a gas diffusion layer that can easily and reliably realize a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability that can suppress deterioration and sufficiently prevent deterioration of initial characteristics.

ここで、本発明において、高分子電解質形燃料電池の少なくとも一方のガス拡散電極に上述のガス拡散層の構成とすることにより、上述の本発明の効果が得られることについて明確なメカニズムは解明されていないが、本発明者らは以下のように推察している。
即ち、膜電極接合体の劣化は、主として、高分子電解質膜で進行することが報告されている。具体的には、高分子電解質膜のうちの電極周辺部に位置する部位の劣化が大きいことが報告されている(例えば、S. Grot, Abstract p860, Fuel Cell Seminar Nov. 2003)。上記部位における高分子電解質膜の劣化は、電極周辺部においてガス拡散層が、触媒層を介さずに、直接高分子電解質膜に接することに起因すると推測される。より具体的には、ガス拡散層を構成している基材の疎密による凹凸、毛羽およびほつれは、撥水カーボン層を通して、高分子電解質膜を破損していると考えられる。
Here, in the present invention, a clear mechanism for elucidating that the above-described effects of the present invention can be obtained by forming the above-described gas diffusion layer on at least one gas diffusion electrode of the polymer electrolyte fuel cell. However, the present inventors speculate as follows.
That is, it has been reported that the deterioration of the membrane electrode assembly proceeds mainly in the polymer electrolyte membrane. Specifically, it has been reported that the degradation of the portion located in the periphery of the electrode in the polymer electrolyte membrane is large (for example, S. Grot, Abstract p860, Fuel Cell Seminar Nov. 2003). The deterioration of the polymer electrolyte membrane at the above site is presumed to be caused by the gas diffusion layer in direct contact with the polymer electrolyte membrane without passing through the catalyst layer in the periphery of the electrode. More specifically, the unevenness, fluff and fraying due to the density of the base material constituting the gas diffusion layer are considered to break the polymer electrolyte membrane through the water-repellent carbon layer.

本発明者らは、高分子電解質膜に直接接する、触媒層外周部より外側で、かつ、高分子電解質膜のシール部の内側に位置する撥水カーボン層外縁部の厚さを、上記撥水カーボン層中心部に対して、10〜100μm高くすることで、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できると考え、本発明を完成するに至った。   The inventors have determined the thickness of the outer edge of the water-repellent carbon layer that is in direct contact with the polymer electrolyte membrane and is located outside the outer peripheral portion of the catalyst layer and inside the seal portion of the polymer electrolyte membrane. It is considered that by increasing the height of the carbon layer by 10 to 100 μm, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer substrate, which is the cause of deterioration, can be alleviated and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed. It came to be completed.

撥水カーボン層中心部における前記厚さが、前記外縁部と同様に大きい値をとる場合は、生成水を効果的に排出することが困難になり、出力電圧の振動および低下を誘引する、いわゆるフラッディング現象を引き起こす。以上より、ガス拡散層の外縁部において、撥水カーボン層の厚さを増加させた構造を構築することにより、優れた寿命特性、即ち高耐久性と高効率を同時に実現し得る膜電極接合体を得ることができる。   When the thickness at the center of the water-repellent carbon layer takes a large value as in the outer edge, it becomes difficult to effectively discharge the generated water, which induces vibration and reduction of the output voltage. Causes flooding. As described above, a membrane electrode assembly that can simultaneously realize excellent life characteristics, that is, high durability and high efficiency, by constructing a structure in which the thickness of the water-repellent carbon layer is increased at the outer edge of the gas diffusion layer. Can be obtained.

本発明において、撥水カーボン層中心部に対する、撥水カーボン層外縁部における撥水カーボン層の厚さの増加は、10〜100μmであることが望ましい。厚さの増加が10μm未満であると、ガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和しきれず、高分子電解質膜の劣化抑制効果が不充分となる。また、厚さの増加が100μm超であると、電池締結時においても、ガス拡散層の中心部と触媒層の結着が不充分となり、フラッディングが生じ、安定的な電池出力を得ることができない。   In the present invention, the increase in the thickness of the water-repellent carbon layer at the outer edge of the water-repellent carbon layer relative to the central portion of the water-repellent carbon layer is preferably 10 to 100 μm. If the increase in thickness is less than 10 μm, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer substrate cannot be alleviated, and the effect of suppressing deterioration of the polymer electrolyte membrane becomes insufficient. In addition, if the increase in thickness exceeds 100 μm, the center of the gas diffusion layer and the catalyst layer are not sufficiently bonded even when the battery is fastened, flooding occurs, and stable battery output cannot be obtained. .

また、本発明は、
電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
触媒層とガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
撥水カーボン層は、触媒層が配置されるべき中心部を構成する撥水材料の単位面積あたりの質量に対して、触媒層の外周部より外側に位置することになる外縁部を構成する撥水材料の単位面積あたりの質量が5〜40%高くなるように形成されていること、
を特徴とするガス拡散層をも提供する。
The present invention also provides:
A gas diffusion layer that is used in a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst and serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer substrate and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water-repellent carbon layer is a water-repellent material that constitutes an outer edge portion that is positioned outside the outer peripheral portion of the catalyst layer with respect to the mass per unit area of the water-repellent material constituting the central portion where the catalyst layer is to be disposed. That the mass per unit area of the water material is 5 to 40% higher,
A gas diffusion layer is also provided.

本発明者らは、撥水カーボン層を構成する撥水材料の単位面積あたりの質量を、撥水カーボン層外縁部において、撥水カーボン層中心部に対して、5〜40%高くすることで、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できると考え、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present invention have made the mass per unit area of the water repellent material constituting the water repellent carbon layer 5 to 40% higher at the outer edge of the water repellent carbon layer than the center of the water repellent carbon layer. The present inventors have completed the present invention, considering that the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material, which is a cause of deterioration, can be alleviated and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed.

本発明では、撥水カーボン層中心部に対する、撥水カーボン層外縁部における撥水材料の単位面積あたりの質量の増加は5〜40%であることが望ましい。撥水材料の単位面積あたりの質量の増加が5%未満であると、ガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和しきれず、高分子電解質膜の劣化抑制効果が不充分となる。また、撥水材料の単位面積あたりの質量の増加が40%超であると、電池締結時に、締結圧力がガス拡散層外縁部に集中的に加わることになり、高分子電解質膜の破損に繋がる可能性がある。   In the present invention, the increase in the mass per unit area of the water-repellent material at the outer edge of the water-repellent carbon layer relative to the central portion of the water-repellent carbon layer is desirably 5 to 40%. If the increase in mass per unit area of the water-repellent material is less than 5%, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer substrate cannot be alleviated, and the effect of suppressing deterioration of the polymer electrolyte membrane becomes insufficient. Further, if the increase in the mass per unit area of the water repellent material is more than 40%, the fastening pressure is concentrated on the outer edge of the gas diffusion layer when fastening the battery, leading to the damage of the polymer electrolyte membrane. there is a possibility.

また、本発明は、
電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
触媒層とガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
撥水カーボン層は、触媒層が配置されるべき中心部と、該中心部よりも外側に位置しており触媒層が配置されない外縁部とに区分されており、
外縁部には、高分子電解質が含有されていること、
を特徴とするガス拡散層をも提供する。
The present invention also provides:
A gas diffusion layer that is used in a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst and serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer substrate and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water repellent carbon layer is divided into a central portion where the catalyst layer is to be disposed and an outer edge portion which is located outside the central portion and where the catalyst layer is not disposed,
The outer edge contains a polymer electrolyte,
A gas diffusion layer is also provided.

本発明者らは、撥水カーボン層外縁部に高分子電解質を含有させることにより、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できると考え、本発明を完成するに至った。
撥水カーボン層中心部において、撥水カーボン層外縁部と同様に高分子電解質を含有する場合は、撥水カーボン層中心部の層中において、多孔度が減少し、生成水の効果的な排出が低下し、フラッディング現象を引き起こす可能性がある。
By including a polymer electrolyte in the outer edge of the water-repellent carbon layer, the present inventors can alleviate unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material that are the cause of deterioration, and can suppress deterioration of the polymer electrolyte membrane. The present invention has been completed.
In the center of the water-repellent carbon layer, when the polymer electrolyte is contained in the same manner as the outer edge of the water-repellent carbon layer, the porosity is reduced in the layer at the center of the water-repellent carbon layer, and the generated water is effectively discharged. May decrease and cause a flooding phenomenon.

さらに、本発明は、
電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
触媒層とガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
撥水カーボン層は、触媒層が配置されるべき中心部と、該中心部よりも外側に位置しており触媒層が配置されない外縁部とに区分されており、
外縁部には、触媒層の側面の少なくとも一部を被覆するようにして、高分子電解質および導電性カーボンを含む層が更に配置されていること、
を特徴とするガス拡散層をも提供する。
Furthermore, the present invention provides
A gas diffusion layer that is used in a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst and serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer substrate and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water repellent carbon layer is divided into a central portion where the catalyst layer is to be disposed and an outer edge portion which is located outside the central portion and where the catalyst layer is not disposed,
A layer containing a polymer electrolyte and conductive carbon is further disposed on the outer edge so as to cover at least part of the side surface of the catalyst layer,
A gas diffusion layer is also provided.

本発明者らは、撥水カーボン層外縁部において、当該撥水カーボン層上に、高分子電解質と導電性カーボンとを含む層を構成することにより、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できると考え、本発明を完成するに至った。
撥水カーボン層中心部において、撥水カーボン層外縁部と同様に、当該撥水カーボン層上に、高分子電解質と導電性カーボンとを含む層が構成されている場合は、撥水カーボン層中心部の層中において、ガス拡散性の阻害によるフラッディングが生じる可能性があり、安定的な電池出力を得ることができない可能性がある。
The inventors of the present invention have formed a layer containing a polymer electrolyte and conductive carbon on the water-repellent carbon layer at the outer edge of the water-repellent carbon layer, thereby forming irregularities on the gas diffusion layer base material that is a cause of deterioration. Thus, the present inventors have completed the present invention, considering that fluff and fraying can be alleviated and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed.
In the center of the water-repellent carbon layer, as in the outer edge of the water-repellent carbon layer, when a layer containing a polymer electrolyte and conductive carbon is formed on the water-repellent carbon layer, the center of the water-repellent carbon layer In some layers, flooding due to inhibition of gas diffusibility may occur, and stable battery output may not be obtained.

上述した本発明のガス拡散層は、当該ガス拡散層のうちの撥水カーボン層上に触媒層を配置させてガス拡散電極として使用することができる。
即ち、本発明は、前記の本発明のガス拡散層と、前記ガス拡散層のうちの撥水カーボン層上に構成された触媒層と、を含むことを特徴とするガス拡散電極を提供する。
本発明のガス拡散電極は、先に述べたガス拡散層を具備しているため、膜電極接合体における高分子電解質膜の劣化が抑制され、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって初期特性の低下を充分に防止でき、優れた寿命特性を実現することができる。
The gas diffusion layer of the present invention described above can be used as a gas diffusion electrode by disposing a catalyst layer on the water-repellent carbon layer of the gas diffusion layer.
That is, the present invention provides a gas diffusion electrode comprising the gas diffusion layer of the present invention and a catalyst layer formed on a water-repellent carbon layer of the gas diffusion layer.
Since the gas diffusion electrode of the present invention includes the gas diffusion layer described above, the deterioration of the polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly is suppressed, and the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell are repeated. However, the deterioration of the initial characteristics can be sufficiently prevented over a long period of time, and excellent life characteristics can be realized.

さらに、本発明は先に述べたガス拡散電極を含むこと、を特徴とする膜電極接合体も提供する。
本発明の膜電極接合体は、先に述べたガス拡散電極を具備しているため、膜電極接合体における高分子電解質の劣化が抑制され、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって初期特性の低下を充分に防止でき、優れた寿命特性を実現することができる。
Furthermore, the present invention also provides a membrane electrode assembly including the gas diffusion electrode described above.
Since the membrane electrode assembly of the present invention includes the gas diffusion electrode described above, deterioration of the polymer electrolyte in the membrane electrode assembly is suppressed, and the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell are repeated. However, the deterioration of the initial characteristics can be sufficiently prevented over a long period of time, and excellent life characteristics can be realized.

本発明によれば、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって、高分子電解質膜の破損、分解を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を確実に実現し得るガス拡散層、ガス拡散電極およびこれを含む膜電極接合体を提供することができる。また、上記の本発明の膜電極接合体を用い、初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分に安定な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress damage and decomposition of the polymer electrolyte membrane over a long period of time even when the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell are repeated, and it is possible to sufficiently prevent deterioration of the initial characteristics. It is possible to provide a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode, and a membrane electrode assembly including the gas diffusion layer that can surely realize a polymer electrolyte fuel cell having high durability. Also provided is a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability that can sufficiently prevent deterioration in initial characteristics and exhibits sufficiently stable battery performance over a long period of time using the membrane electrode assembly of the present invention. can do.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description may be abbreviate | omitted.

[第一実施形態]
図1は、本発明の高分子電解質形燃料電池の好適な一実施形態に搭載される単電池を構成する膜電極接合体10(MEA:Membrane-electrode assembly)の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図2は、図1に示す膜電極接合体10を搭載する高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane-electrode assembly 10 (MEA: Membrane-electrode assembly) constituting a unit cell mounted in a preferred embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a unit cell mounted on a polymer electrolyte fuel cell on which the membrane electrode assembly 10 shown in FIG. 1 is mounted.

図1に示すように、本実施形態の膜電極接合体10は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜11の両面に、電極触媒(例えば白金系の金属触媒)をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含む触媒層12が形成されて構成されている。高分子電解質膜11としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名)、旭化成(株)製のAciplex(商品名)、ジャパンゴアテックス(株)製のGSIIなど)を使用することができる。なお、高分子電解質膜11の厚さは、本発明の効果を得られる範囲内であれば特に限定されない。   As shown in FIG. 1, the membrane electrode assembly 10 of the present embodiment has an electrode catalyst (for example, a platinum-based metal catalyst) supported on carbon powder on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 11 that selectively transports hydrogen ions. The catalyst layer 12 containing the catalyst-supported carbon obtained by the above and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity is formed. The polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited, and a polymer electrolyte membrane mounted on a normal solid polymer fuel cell can be used. For example, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., GSII manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., etc.) Can be used. In addition, the thickness of the polymer electrolyte membrane 11 will not be specifically limited if it is in the range which can acquire the effect of this invention.

また、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、およびスルホンイミド基を有するものなどが好ましく挙げられる。水素イオン伝導性の観点から、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。スルホン酸基を有する高分子電解質としては、イオン交換容量が0.5〜1.5meq/g乾燥樹脂であるものことが好ましい。高分子電解質のイオン交換容量が0.5meq/g乾燥樹脂以上であると、得られた触媒層の抵抗値が発電時に上昇するおそれがなく好ましく、イオン交換容量が1.5meq/g乾燥樹脂以下であると、得られた触媒層の含水率が増大せず、膨潤し易くならず、細孔が閉塞するおそれがなく好ましい。イオン交換容量は0.8〜1.2meq/g乾燥樹脂が特に好ましい。   Moreover, as a polymer electrolyte which comprises the polymer electrolyte membrane 11, what has a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group as a cation exchange group is mentioned preferably. From the viewpoint of hydrogen ion conductivity, those having a sulfonic acid group are particularly preferred. The polymer electrolyte having a sulfonic acid group preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity of the polymer electrolyte is 0.5 meq / g dry resin or more, the resistance value of the obtained catalyst layer is preferably not increased during power generation, and the ion exchange capacity is 1.5 meq / g dry resin or less. It is preferable because the water content of the obtained catalyst layer does not increase, the catalyst layer does not easily swell, and the pores are not clogged. The ion exchange capacity is particularly preferably 0.8 to 1.2 meq / g dry resin.

また、高分子電解質としては、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hで表されるパーフルオロビニル化合物(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0または1を示し、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基を示す。)に基づく重合単位と、CF2=CF2で表されるテトラフルオロエチレンに基づく重合単位と、を含むパーフルオロカーボン共重合体であることが好ましい。なお、上記フルオロカーボン重合体は、例えばエーテル結合性の酸素原子などを含んでいてもよい。 As the polymer electrolyte, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl compound represented by n -SO 3 H (m is an integer of 0 to 3 , N represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group), and tetrafluoroethylene represented by CF 2 = CF 2 A perfluorocarbon copolymer containing a polymerization unit based on The fluorocarbon polymer may contain, for example, an etheric oxygen atom.

上記パーフルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式(1)〜(3)で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、tは1〜3の整数を示す。
CF2=CFO(CF2q−SO3H ・・・(1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2r−SO3H ・・・(2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF22−SO3 ・・・(3)
Preferable examples of the perfluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (1) to (3). However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 3.
CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 3 H ··· (1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r -SO 3 H ··· (2)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 -SO 3 ··· (3)

また、高分子電解質膜は、一種または複数種の高分子電解質で構成されていてもよいが、内部に補強体(充填材)を含んでいてもよい。ただし、高分子電解質膜における上記補強体の配置状態(例えば疎密の程度や規則性)は特に限定されない。
このような補強体を構成する材料としては、特に制限されないが、例えばポリテトラフルオルエチレン、ポリフルオロアルコキシエチレンまたはポリフェニルスルフィドなどが挙げられる。上記補強体の形状も特に制限されないが、例えば、多孔体状の補強体、ならびにフィブリル状、繊維状および球状の補強体粒子などが挙げられる。
The polymer electrolyte membrane may be composed of one or more types of polymer electrolytes, but may contain a reinforcing body (filler) inside. However, the arrangement state (for example, the degree of density or regularity) of the reinforcing body in the polymer electrolyte membrane is not particularly limited.
The material constituting such a reinforcing body is not particularly limited, and examples thereof include polytetrafluoroethylene, polyfluoroalkoxyethylene, and polyphenyl sulfide. The shape of the reinforcing body is not particularly limited, and examples thereof include a porous reinforcing body and fibril, fibrous and spherical reinforcing body particles.

膜電極接合体10は、触媒層12の外面に、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーなどのガス拡散層基材14と撥水カーボン層15とで構成され、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層13を有する。この触媒層12と触媒層12の支持体となるガス拡散層13との組合せにより電極(アノードまたはカソード)が構成される。   The membrane electrode assembly 10 includes a gas diffusion layer base material 14 such as carbon paper subjected to water repellent treatment and a water repellent carbon layer 15 on the outer surface of the catalyst layer 12, and has both air permeability and electronic conductivity. A gas diffusion layer 13 is provided. An electrode (anode or cathode) is configured by a combination of the catalyst layer 12 and the gas diffusion layer 13 that serves as a support for the catalyst layer 12.

触媒層12における担体であるカーボン粉末(導電性カーボン粒子)としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料であるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。   The carbon powder (conductive carbon particles) that is a carrier in the catalyst layer 12 is preferably a carbon material having conductive pores, such as carbon black, activated carbon, carbon fiber, and carbon tube. be able to. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Activated carbon can be obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms.

カーボン粉末の比表面積が50〜1500m2/gであることが好ましい。比表面積50m2/g以上であると、電極触媒の担持率を向上させ易く、カソード触媒層およびアノード触媒層の出力特性が低下するおそれがないことから好ましく、比表面積が1500m2/g以下であると、細孔が微細すぎずに高分子電解質による被覆がより容易となり、触媒層の出力特性が低下するおそれがないことから好ましい。比表面積は200〜900m2/gが特に好ましい。 The specific surface area of the carbon powder is preferably 50 to 1500 m 2 / g. When the specific surface area is 50 m 2 / g or more, it is preferable because the loading ratio of the electrode catalyst is easily improved and the output characteristics of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not deteriorate, and the specific surface area is 1500 m 2 / g or less. It is preferable because the pores are not too fine and the coating with the polymer electrolyte becomes easier and the output characteristics of the catalyst layer do not deteriorate. The specific surface area is particularly preferably 200 to 900 m 2 / g.

触媒層12に用いる電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される1種以上の金属と、白金と、の合金であるのが好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。
さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノード側とカソード側に同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。
As an electrode catalyst used for the catalyst layer 12, it is preferable to use platinum or a platinum alloy. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, and tin. An alloy of at least one metal selected from the group consisting of platinum and platinum is preferable. The platinum alloy may contain an intermetallic compound of platinum and the metal.
Furthermore, an electrode catalyst mixture obtained by mixing an electrode catalyst made of platinum and an electrode catalyst made of a platinum alloy may be used, or the same electrode catalyst may be used on the anode side and the cathode side, or different electrode catalysts may be used. .

また、電極触媒の一次粒子径は、触媒層12を高活性とするために、1〜20nmであることが好ましく、特に、反応活性を増大させるために表面積を大きく確保することが可能であるという観点から、2〜10nmであることが好ましい。
触媒担持カーボンの触媒担持率(触媒担持カーボンの全質量に対する、担持されている電極触媒の質量の割合)は、20〜80質量%であればよく、特に40〜60質量%であるのが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように触媒担持率が20質量%以上であると、十分な電池出力をより確実に得ることができ、80質量%以下であると、電極触媒の粒子を分散性よくカーボン粉末に担持させることができ、触媒有効面積をより増大させることができる。
The primary particle diameter of the electrode catalyst is preferably 1 to 20 nm in order to make the catalyst layer 12 highly active, and in particular, it is possible to ensure a large surface area in order to increase the reaction activity. From the viewpoint, it is preferably 2 to 10 nm.
The catalyst loading rate of the catalyst-carrying carbon (ratio of the mass of the supported electrode catalyst to the total mass of the catalyst-carrying carbon) may be 20 to 80% by mass, and particularly preferably 40 to 60% by mass. . Within this range, high battery output can be obtained. As described above, when the catalyst loading is 20% by mass or more, sufficient battery output can be obtained more reliably, and when it is 80% by mass or less, the electrode catalyst particles are supported on the carbon powder with good dispersibility. And the effective catalyst area can be further increased.

触媒層12に含有されて、上記触媒担持カーボンに付着させる水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質を用いればよい。なお、触媒層12および高分子電解質膜11を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもかまわない。例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名)、旭硝子(株)製のFlemion(商品名)、旭化成(株)製のAciplex(商品名)等の市販品であってもかまわない。カーボン粉末の比表面積が50〜1500m2/gであることが好ましい。比表面積50m2/g以上であると、電極触媒の担持率を向上させ易く、触媒層12の出力特性が低下するおそれがないことから好ましく、比表面積が1500m2/g以下であると、細孔が微細すぎずに高分子電解質による被覆がより容易となり、触媒層12の出力特性が低下するおそれがないことから好ましい。比表面積は200〜900m2/gが特に好ましい。 As the polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity contained in the catalyst layer 12 and attached to the catalyst-supporting carbon, a polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 may be used. The polymer electrolyte constituting the catalyst layer 12 and the polymer electrolyte membrane 11 may be the same type or different types. For example, commercially available products such as Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. may be used. The specific surface area of the carbon powder is preferably 50 to 1500 m 2 / g. When the specific surface area is 50 m 2 / g or more, it is preferable because it is easy to improve the loading ratio of the electrode catalyst and the output characteristics of the catalyst layer 12 do not deteriorate, and when the specific surface area is 1500 m 2 / g or less, it is fine. Since the pores are not too fine, the coating with the polymer electrolyte is easier, and the output characteristics of the catalyst layer 12 are not likely to deteriorate. The specific surface area is particularly preferably 200 to 900 m 2 / g.

上記高分子電解質は、触媒担持カーボン粒子を被覆し、3次元に水素イオン伝導経路を確保するために、触媒層12を構成する触媒担持カーボンの質量に比例して添加することが望ましい。
具体的には、触媒層12を構成する高分子電解質質量は、触媒担持カーボン質量に対して0.2倍以上2.0倍以下であることが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように高分子電解質の質量が0.2倍以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保でき、2.0倍以下であると、フラッディングの回避が可能であり、より高い電池出力を実現することができる。
The polymer electrolyte is preferably added in proportion to the mass of the catalyst-carrying carbon constituting the catalyst layer 12 in order to cover the catalyst-carrying carbon particles and secure a three-dimensional hydrogen ion conduction path.
Specifically, the mass of the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 12 is desirably 0.2 to 2.0 times the mass of the catalyst-supporting carbon. Within this range, high battery output can be obtained. As described above, if the mass of the polymer electrolyte is 0.2 times or more, sufficient hydrogen ion conductivity can be ensured, and if it is 2.0 times or less, flooding can be avoided, resulting in higher battery output. Can be realized.

なお、本実施形態の触媒層12においては、上記高分子電解質が、触媒担持カーボン粒子表面に部分的に付着していればよく、すなわち触媒担持カーボン粒子の少なくとも一部を被覆していればよく、必ずしも触媒担持カーボン粒子全体を被覆していなくともよい。もちろん、上記高分子電解質が、触媒担持カーボン粒子表面の全体を被覆していてもよい。   In the catalyst layer 12 of the present embodiment, it is sufficient that the polymer electrolyte is partially attached to the surface of the catalyst-carrying carbon particles, that is, it covers only at least a part of the catalyst-carrying carbon particles. However, it is not always necessary to cover the entire catalyst-supporting carbon particles. Of course, the polymer electrolyte may cover the entire surface of the catalyst-supporting carbon particles.

触媒層12は、触媒層12の構成を実現可能な成分組成に調製された複数の触媒層形成用インクを用いて形成することができる。触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、高分子電解質を溶解可能または分散可能(高分子電解質の一部が溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む)であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。分散媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコールおよびtert―ブチルアルコールのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの水およびアルコールは単独でも使用してもよく、2種以上混合してもよい。アルコールは、分子内にOH基を1つ有する直鎖のものが特に好ましく、エタノールが特に好ましい。このアルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。   The catalyst layer 12 can be formed using a plurality of inks for forming a catalyst layer prepared to have a component composition capable of realizing the configuration of the catalyst layer 12. The dispersion medium used to prepare the ink for forming the catalyst layer may be a polymer electrolyte that can be dissolved or dispersible (part of the polymer electrolyte is dissolved and the other part is dispersed without being dissolved) It is preferable to use a liquid containing an alcohol. The dispersion medium preferably contains at least one of water, methanol, ethanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol and tert-butyl alcohol. These water and alcohol may be used alone or in combination of two or more. The alcohol is particularly preferably a straight chain having one OH group in the molecule, and ethanol is particularly preferable. This alcohol includes those having an ether bond such as ethylene glycol monomethyl ether.

また、触媒層形成用インクの組成は、触媒層12の構成に応じて、適宜調整すればよいが、固形分濃度0.1〜20質量%であることが好ましい。固形分濃度が0.1質量%以上であると、触媒層形成用インクの噴霧または塗布により触媒層を作製するにあたり、何回も繰り返し噴霧または塗布しなくても所定の厚さの触媒層が得られ生産効率が低くならない。また、固形分濃度が20質量%以下であると、混合液の粘度が高くなり過ぎず、得られる触媒層が不均一となるおそれがない。固形分濃度で1〜10質量%であることが特に好ましい。   Further, the composition of the ink for forming the catalyst layer may be appropriately adjusted according to the configuration of the catalyst layer 12, but the solid content concentration is preferably 0.1 to 20% by mass. When the solid content concentration is 0.1% by mass or more, a catalyst layer having a predetermined thickness can be formed without spraying or coating many times in preparing the catalyst layer by spraying or coating the ink for forming the catalyst layer. The production efficiency is not lowered. Moreover, when the solid content concentration is 20% by mass or less, the viscosity of the mixed solution does not become too high, and the resulting catalyst layer is not likely to be non-uniform. The solid content concentration is particularly preferably 1 to 10% by mass.

触媒層形成用インクは、従来公知の方法に基づいて調製することができる。具体的には、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押出すことで分散液にせん断力を付与する方法などが挙げられる。   The ink for forming the catalyst layer can be prepared based on a conventionally known method. Specifically, a method using a stirrer such as a homogenizer or a homomixer, a method using high-speed rotation such as using a high-speed rotating jet flow method, or a high-pressure emulsifying apparatus or the like is used to push the dispersion from a narrow part. The method of giving a shearing force to a dispersion liquid by taking out is mentioned.

上記触媒層形成用インクを用いて触媒層12を形成する際には、高分子電解質膜11に対して、直接形成する直接塗布法であっても間接的に形成する間接塗布方法のいずれを採用することも可能である。塗布法としては、スクリーン印刷法、ダイコート法、スプレー法およびインクジェット法などが挙げられる。間接塗布法としては、例えばポリプロピレンまたはポリエチレンテレフタラート製の支持体上に、上記の方法で触媒層12を形成した後、熱転写により、高分子電解質膜11または先に形成した触媒層12上に形成する方法が挙げられる。   When the catalyst layer 12 is formed using the catalyst layer forming ink, any of the indirect coating method for indirectly forming the polymer electrolyte membrane 11 is adopted even if the direct coating method is directly formed on the polymer electrolyte membrane 11. It is also possible to do. Examples of the coating method include a screen printing method, a die coating method, a spray method, and an ink jet method. As an indirect coating method, for example, after forming the catalyst layer 12 on the support made of polypropylene or polyethylene terephthalate by the above method, it is formed on the polymer electrolyte membrane 11 or the previously formed catalyst layer 12 by thermal transfer. The method of doing is mentioned.

つぎに、ガス拡散層13を構成するガス拡散層基材14としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層基材14の中に分散させてもよい。電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層基材14を構成してもよい。   Next, as the gas diffusion layer base material 14 constituting the gas diffusion layer 13, carbon fine powder having a developed structure structure, a pore former, carbon paper, carbon cloth, or the like is used in order to provide gas permeability. A conductive substrate having a porous structure produced in the above manner can be used. In order to provide drainage, a water repellent polymer typified by a fluororesin may be dispersed in the gas diffusion layer base material 14. In order to give electron conductivity, the gas diffusion layer base material 14 may be made of an electron conductive material such as carbon fiber, metal fiber, or carbon fine powder.

さらに、本実施形態のガス拡散層13は、ガス拡散層基材14の触媒層12と接する面に、撥水性材料(高分子)と導電性カーボン粉末とで構成される撥水カーボン層15が設けられて構成されている。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。
撥水カーボン層15は、撥水性材料(高分子)と導電性カーボン粉末と分散媒とを含む撥水カーボン層用インクを調製し、当該インクを塗布、乾燥することにより形成することができる。
Further, the gas diffusion layer 13 of the present embodiment has a water repellent carbon layer 15 composed of a water repellent material (polymer) and conductive carbon powder on the surface of the gas diffusion layer base material 14 that contacts the catalyst layer 12. It is provided and configured. The same gas diffusion layer or different gas diffusion layers may be used on the cathode side and the anode side.
The water repellent carbon layer 15 can be formed by preparing a water repellent carbon layer ink containing a water repellent material (polymer), a conductive carbon powder, and a dispersion medium, and applying and drying the ink.

撥水性材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)などのフッ素樹脂を使用することができる。   Examples of the water repellent material include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and tetrafluoroethylene / ethylene. A fluororesin such as a copolymer (ETFE) can be used.

カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。   As the carbon powder, for example, carbon black, activated carbon, carbon fiber, carbon tube and the like can be used. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black.

上記分散媒としては、上述した触媒層形成用インクの場合と同様のものを用いることができる。また、撥水カーボン層用インクの組成は、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整すればよい。   As the dispersion medium, the same one as in the case of the ink for forming the catalyst layer described above can be used. Further, the composition of the water repellent carbon layer ink may be appropriately adjusted within a range not impairing the effects of the present invention.

さらに、本実施形態の高分子電解質形燃料電池の基本構成である単電池は、図2に示すように、膜電極接合体10と、ガスケット16と、一対のセパレータ17とで構成される。ガスケット16は、供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、電極の周囲に高分子電解質膜11を挟んで配置される。ガスケット16は、電極および高分子電解質膜11とあらかじめ一体化されている。なお、高分子電解質膜11、一対の電極(触媒層12およびガス拡散層13)およびガスケット16を組み合わせたものを膜電極接合体と呼ぶこともある。   Furthermore, the unit cell, which is the basic configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, includes a membrane electrode assembly 10, a gasket 16, and a pair of separators 17, as shown in FIG. The gasket 16 is disposed around the electrode with the polymer electrolyte membrane 11 interposed therebetween in order to prevent leakage and mixing of the supplied fuel gas and oxidant gas to the outside. The gasket 16 is integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane 11 in advance. A combination of the polymer electrolyte membrane 11, the pair of electrodes (catalyst layer 12 and gas diffusion layer 13), and the gasket 16 may be referred to as a membrane electrode assembly.

膜電極接合体10の外側には、膜電極接合体10を機械的に固定するための一対のセパレータ17が配置される。セパレータ17の膜電極接合体10と接触する部分には、電極に反応ガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)を供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から電極外部に運び去るためのガス流路17aが形成される。本実施形態においては、図2に示すようにセパレータ17の表面に溝を設けてガス流路17aを形成されている。また、セパレータ17の膜電極接合体10とは反対の側には、切削により溝を設けて、冷却水流路17bが形成された構成を有する。   A pair of separators 17 for mechanically fixing the membrane electrode assembly 10 is disposed outside the membrane electrode assembly 10. A reaction gas (fuel gas or oxidant gas) is supplied to the electrode at a portion of the separator 17 that contacts the membrane electrode assembly 10, and an electrode reaction product and a gas containing an unreacted reaction gas are supplied from the reaction field to the outside of the electrode. A gas flow path 17a for carrying away is formed. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a groove is provided on the surface of the separator 17 to form a gas flow path 17a. The separator 17 has a configuration in which a groove is provided by cutting on the side opposite to the membrane electrode assembly 10 to form a cooling water channel 17b.

このように、一対のセパレータ17で膜電極接合体10を固定し、一方のセパレータ17のガス流路17aに燃料ガスを供給し、他方のセパレータ17のガス流路17aに酸化剤ガスを供給することで、数十から数百mA/cm2の実用電流密度通電時において、一つの単電池で0.7〜0.8V程度の起電力を発生させることができる。高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、単電池を必要とする個数だけ直列に連結してスタック(図示せず)として使用することもできる。 Thus, the membrane electrode assembly 10 is fixed by the pair of separators 17, the fuel gas is supplied to the gas flow path 17 a of one separator 17, and the oxidant gas is supplied to the gas flow path 17 a of the other separator 17. Thus, an electromotive force of about 0.7 to 0.8 V can be generated with one single battery when a practical current density of several tens to several hundred mA / cm 2 is applied. When a polymer electrolyte fuel cell is used as a power source, a required number of cells can be connected in series and used as a stack (not shown).

ガス流路17aに反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ17の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先を直接セパレータ17上のガス流路17aにつなぎ込む部材であるマニホールドが必要となるが、本実施形態においては、外部マニホールドと内部マニホールドのいずれを採用することも可能である。   In order to supply the reaction gas to the gas flow path 17a, the piping for supplying the reaction gas is branched into a number corresponding to the number of separators 17 to be used, and the branch destinations are directly connected to the gas flow path 17a on the separator 17. However, in this embodiment, either an external manifold or an internal manifold can be used.

ここで、図3に、図2においてPで示される部分の拡大図を示す。また、図4に、本実施形態におけるガス拡散層13の概略断面図を示す。
本実施形態においては、図3に表されるように、撥水カーボン層15のガス拡散層基材14に接触する側の主面の面積と、ガス拡散層基材14の撥水カーボン層15に接触する側の主面の面積とが略同一であり、撥水カーボン層15の主面およびガス拡散層基材14の主面の面積より、触媒層12の主面の面積のほうが小さい。
Here, FIG. 3 shows an enlarged view of a portion indicated by P in FIG. FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the gas diffusion layer 13 in the present embodiment.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the area of the main surface of the water repellent carbon layer 15 on the side in contact with the gas diffusion layer base material 14 and the water repellent carbon layer 15 of the gas diffusion layer base material 14. The area of the main surface of the catalyst layer 12 is smaller than the area of the main surface of the water repellent carbon layer 15 and the main surface of the gas diffusion layer base material 14.

したがって、図3および4に示すように、触媒層12と接する撥水カーボン層中心部(即ち、撥水カーボン層15のうち触媒層12が配置されるべき中心部)15bに対して、触媒層12の外周部より外側に、撥水カーボン層外縁部(即ち、撥水カーボン層15のうち触媒層12の外周部より外側に位置することになる外縁部)15aが形成される。即ち、図3における矢印Qで示される部分(触媒層12の外周部より外側であって、かつガスケット16が高分子電解質膜11をシールする部分までの部分)に、撥水カーボン層外縁部15aが存在する。   Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, the catalyst layer is in contact with the water repellent carbon layer central portion 15 b in contact with the catalyst layer 12 (that is, the central portion of the water repellent carbon layer 15 where the catalyst layer 12 is to be disposed) 15 b. An outer edge of the water repellent carbon layer (that is, an outer edge of the water repellent carbon layer 15 that is positioned outside the outer periphery of the catalyst layer 12) 15 a is formed outside the outer periphery of 12. That is, the water repellent carbon layer outer edge portion 15a is formed on the portion indicated by the arrow Q in FIG. 3 (the portion outside the outer peripheral portion of the catalyst layer 12 and the portion where the gasket 16 seals the polymer electrolyte membrane 11). Exists.

本実施形態の撥水カーボン層15においては、触媒層12の外周部より外側に位置し、かつ、高分子電解質膜11のシール部分より内側に位置する撥水カーボン層外縁部15aにおいて、撥水カーボン層中心部15bに対して、撥水カーボン層15の厚さが10〜100μm高い。即ち、撥水カーボン層外縁部15aの厚さと撥水カーボン層中心部15bの厚さとの差ΔXが、10〜100μmである。このように、劣化の進行が速い高分子電解質膜11周辺部において、撥水カーボン層15を厚くすることで、劣化要因と推測されるガス拡散層基材14の凹凸、毛羽およびほつれの膜への直接的な接触を抑制可能と考えられる。   In the water repellent carbon layer 15 of the present embodiment, the water repellent carbon layer outer edge portion 15 a located outside the outer peripheral portion of the catalyst layer 12 and inside the seal portion of the polymer electrolyte membrane 11 is water repellent. The thickness of the water-repellent carbon layer 15 is 10 to 100 μm higher than the carbon layer center portion 15b. That is, the difference ΔX between the thickness of the water repellent carbon layer outer edge portion 15a and the thickness of the water repellent carbon layer center portion 15b is 10 to 100 μm. As described above, by thickening the water-repellent carbon layer 15 in the periphery of the polymer electrolyte membrane 11 where the progress of deterioration is fast, it is possible to obtain the unevenness, fluff and frayed film of the gas diffusion layer base material 14 which is presumed to be a deterioration factor. It is thought that direct contact of the slag can be suppressed.

撥水カーボン層外縁部15aにおける厚さの増加が10μm未満であると、ガス拡散層基材14の凹凸、毛羽およびほつれを緩和しきれず、高分子電解質膜11の劣化抑制効果が不充分となる。また、厚さの増加が100μm超であると、電池締結時においても、撥水カーボン層中心部15bと触媒層12との結着が不充分となり、フラッディングが生じ、安定的な電池出力を得ることができない。   If the increase in thickness at the outer edge 15a of the water-repellent carbon layer is less than 10 μm, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material 14 cannot be alleviated, and the deterioration suppressing effect of the polymer electrolyte membrane 11 becomes insufficient. . Further, if the increase in thickness exceeds 100 μm, even when the battery is fastened, the water repellent carbon layer central portion 15b and the catalyst layer 12 are not sufficiently bonded, resulting in flooding and stable battery output. I can't.

本実施形態の撥水カーボン層15の構造は、当該撥水カーボン層の作製時に形成してもよく、また、略平坦な撥水カーボン層を作製した後に、撥水カーボン層外縁部の厚みを増加させて形成してもかまわない。例えば、撥水カーボン層作製時に形成する場合は、撥水カーボン層外縁部15aの厚さの増加分に応じたマスクを撥水カーボン層中心部15bに配置することで、撥水カーボン層外縁部15aにおいて塗布量を増加させればよい。   The structure of the water-repellent carbon layer 15 of this embodiment may be formed at the time of producing the water-repellent carbon layer, and after the substantially flat water-repellent carbon layer is produced, the thickness of the outer edge of the water-repellent carbon layer is increased. You may increase and form. For example, when the water repellent carbon layer is formed, a mask corresponding to the increase in the thickness of the water repellent carbon layer outer edge portion 15a is disposed at the water repellent carbon layer central portion 15b, so that the water repellent carbon layer outer edge portion is formed. What is necessary is just to increase the application quantity in 15a.

本実施形態によれば、高分子電解質膜に直接接する、触媒層外周部より外側で、かつ、高分子電解質膜のシール部の内側に位置する撥水カーボン層外縁部の厚さを、上記撥水カーボン層中心部に対して、10〜100μm高くすることで、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できる。よって、本実施形態によれば、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって、高分子電解質膜の破損、分解を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を確実に実現し得るガス拡散層、ガス拡散電極およびこれを含む膜電極接合体を提供することができる。また、上記の膜電極接合体を用い、初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分に安定な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を提供することができる。   According to the present embodiment, the thickness of the outer edge of the water-repellent carbon layer that is in direct contact with the polymer electrolyte membrane and outside the outer peripheral portion of the catalyst layer and inside the seal portion of the polymer electrolyte membrane is determined by the above repellent properties. By making the central portion of the water carbon layer 10 to 100 μm higher, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material, which is the cause of deterioration, can be alleviated, and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, according to this embodiment, even if the polymer electrolyte fuel cell is repeatedly operated and stopped, the polymer electrolyte membrane can be prevented from being damaged and decomposed over a long period of time, and the initial characteristics can be sufficiently prevented from being deteriorated. It is possible to provide a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode, and a membrane electrode assembly including the gas diffusion layer that can surely realize a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability. Further, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability, which can sufficiently prevent deterioration of initial characteristics, exhibits sufficiently stable battery performance over a long period of time, using the membrane electrode assembly described above. it can.

[第二実施形態]
つぎに、本発明の高分子電解質形燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池(図示せず)に搭載される単電池を構成する膜電極接合体は、図1に示した第一実施形態の膜電極接合体10におけるガス拡散層を異なる構成に代えたものであり、ガス拡散層以外の構成は第一実施形態の膜電極接合体10と同様である。
以下、第二実施形態の膜電極接合体に備えられるガス拡散層について説明する。図5は、第二実施形態の膜電極接合体に備えられるガス拡散層23の概略断面図である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. The membrane electrode assembly constituting the unit cell mounted on the fuel cell (not shown) of the second embodiment is different from the gas diffusion layer in the membrane electrode assembly 10 of the first embodiment shown in FIG. The configuration other than the gas diffusion layer is the same as that of the membrane electrode assembly 10 of the first embodiment.
Hereinafter, the gas diffusion layer provided in the membrane electrode assembly of the second embodiment will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the gas diffusion layer 23 provided in the membrane electrode assembly of the second embodiment.

本実施形態においては、図5に示すように、撥水カーボン層25は、触媒層12が配置されるべき中心部(撥水カーボン層中心部25b)を構成する撥水材料の単位面積あたりの質量に対して、触媒層12の外周部より外側に位置することになる外縁部(撥水カーボン層外縁部25a)を構成する撥水材料の単位面積あたりの質量が5〜40%高くなるように形成されていることを特徴とする。このように、劣化の進行が速い高分子電解質膜11の周辺部において、撥水カーボン層25を構成する撥水材料を増加させることで、劣化要因と推測されるガス拡散層基材24の凹凸、毛羽およびほつれの高分子電解質膜11への直接的な接触を抑制可能と考えられる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the water-repellent carbon layer 25 per unit area of the water-repellent material constituting the central portion (water-repellent carbon layer central portion 25 b) where the catalyst layer 12 is to be disposed. The mass per unit area of the water-repellent material constituting the outer edge portion (water-repellent carbon layer outer edge portion 25a) located outside the outer peripheral portion of the catalyst layer 12 is 5 to 40% higher than the mass. It is characterized by being formed. In this way, the unevenness of the gas diffusion layer base material 24, which is assumed to be a cause of deterioration, is increased by increasing the water-repellent material constituting the water-repellent carbon layer 25 in the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane 11 where the progress of deterioration is fast. It is thought that direct contact of fluff and fraying with the polymer electrolyte membrane 11 can be suppressed.

撥水カーボン層外縁部25aにおける撥水材料の単位面積あたりの質量の増加が、5%より低い場合は、ガス拡散層基材25の凹凸、毛羽およびほつれを緩和しきれず、高分子電解質膜11の劣化抑制効果が不充分となる。また、撥水材料の増加が40%を超えると、電池締結時においても、ガス拡散層中心部25bと触媒層12の結着が不充分となり、フラッディングが生じ、安定的な電池出力を得ることができない。   When the increase in the mass per unit area of the water repellent material at the outer edge 25a of the water repellent carbon layer is lower than 5%, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material 25 cannot be alleviated, and the polymer electrolyte membrane 11 Insufficient deterioration suppression effect. Further, if the increase in the water repellent material exceeds 40%, even when the battery is fastened, the gas diffusion layer central portion 25b and the catalyst layer 12 are not sufficiently bonded, and flooding occurs, thereby obtaining a stable battery output. I can't.

また、本実施形態においては、撥水カーボン層外縁部25aが、撥水カーボン層中心部25bに対して、撥水材料の単位面積あたりの質量が、5〜40%高ければよく、厚さ方向における撥水材料の割合が変化していてもかまわない。例えば、図6に示すように、従来どおり均一に撥水カーボン層をガス拡散層基材24に塗布した後、撥水カーボン層外縁部25aにのみ、撥水カーボン層24の材料の割合の高い層を、重ねて塗布してもかまわない。図6は、本実施形態の膜電極接合体に備えられるガス拡散層23の変形例の概略断面図である。   In the present embodiment, the water repellent carbon layer outer edge portion 25a is required to have a mass per unit area of the water repellent material 5 to 40% higher than the water repellent carbon layer central portion 25b, and in the thickness direction. The ratio of the water-repellent material in may be changed. For example, as shown in FIG. 6, after the water-repellent carbon layer is uniformly applied to the gas diffusion layer base material 24 as in the prior art, the ratio of the material of the water-repellent carbon layer 24 is high only on the outer edge 25a of the water-repellent carbon layer. The layers may be applied in layers. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a modified example of the gas diffusion layer 23 provided in the membrane electrode assembly of the present embodiment.

本実施形態における撥水カーボン層25は、撥水カーボン層外縁部25aと撥水カーボン中心部25bとで、それぞれ異なる組成の撥水カーボン層用インクを調製し、当該インクを用いて第一実施形態と同様の方法で形成することができる。   The water repellent carbon layer 25 in this embodiment is prepared by preparing water repellent carbon layer inks having different compositions at the water repellent carbon layer outer edge portion 25a and the water repellent carbon central portion 25b, respectively, and using the ink. It can be formed by the same method as the form.

本実施形態によれば、撥水カーボン層を構成する撥水材料の単位面積あたりの質量を、撥水カーボン層外縁部において、撥水カーボン層中心部に対して、5〜40%高くすることで、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できる。よって、本実施形態によれば、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって、高分子電解質膜の破損、分解を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を確実に実現し得るガス拡散層、ガス拡散電極およびこれを含む膜電極接合体を提供することができる。また、上記の膜電極接合体を用い、初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分に安定な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を提供することができる。   According to this embodiment, the mass per unit area of the water-repellent material constituting the water-repellent carbon layer is increased by 5 to 40% at the outer edge of the water-repellent carbon layer with respect to the central portion of the water-repellent carbon layer. Thus, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material, which is the cause of deterioration, can be alleviated, and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, according to this embodiment, even if the polymer electrolyte fuel cell is repeatedly operated and stopped, the polymer electrolyte membrane can be prevented from being damaged and decomposed over a long period of time, and the initial characteristics can be sufficiently prevented from being deteriorated. It is possible to provide a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode, and a membrane electrode assembly including the gas diffusion layer that can surely realize a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability. Further, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability, which can sufficiently prevent deterioration of initial characteristics, exhibits sufficiently stable battery performance over a long period of time, using the membrane electrode assembly described above. it can.

[第三実施形態]
つぎに、本発明の高分子電解質形燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池(図示せず)に搭載される単電池を構成する膜電極接合体は、図1に示した第一実施形態の膜電極接合体10におけるガス拡散層を異なる構成に代えたものであり、ガス拡散層以外の構成は第一実施形態の膜電極接合体10と同様である。
以下、第三実施形態の膜電極接合体に備えられるガス拡散層について説明する。図7は、第三実施形態の膜電極接合体に備えられるガス拡散層33の概略断面図である。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. The membrane electrode assembly constituting the unit cell mounted on the fuel cell (not shown) of the third embodiment has a different configuration from the gas diffusion layer in the membrane electrode assembly 10 of the first embodiment shown in FIG. The configuration other than the gas diffusion layer is the same as that of the membrane electrode assembly 10 of the first embodiment.
Hereinafter, the gas diffusion layer provided in the membrane electrode assembly of the third embodiment will be described. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the gas diffusion layer 33 provided in the membrane electrode assembly of the third embodiment.

本実施形態においては、図7に示すように、撥水カーボン層35が、触媒層12が配置されるべき撥水カーボン層中心部35bと、撥水カーボン層中心部35bよりも外側に位置しており触媒層12が配置されない撥水カーボン層外縁部35aとに区分されている。そして、撥水カーボン層外縁部35aに高分子電解質が含有されていることを特徴とする。より具体的には、撥水カーボン層35のうちの撥水カーボン層外縁部35aは、導電性カーボンおよび撥水材料に加えて、高分子電解質を含む。撥水カーボン層外縁部35aに含まれる高分子電解質は、高分子電解質膜11および触媒層12に含まれる高分子電解質のいずれかと同一であっても異なっていてもかまわない。   In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the water-repellent carbon layer 35 is positioned outside the water-repellent carbon layer central portion 35b where the catalyst layer 12 is to be disposed and the water-repellent carbon layer central portion 35b. And the water repellent carbon layer outer edge 35a where the catalyst layer 12 is not disposed. The outer surface 35a of the water-repellent carbon layer contains a polymer electrolyte. More specifically, the water repellent carbon layer outer edge portion 35a of the water repellent carbon layer 35 includes a polymer electrolyte in addition to the conductive carbon and the water repellent material. The polymer electrolyte contained in the outer edge 35a of the water repellent carbon layer may be the same as or different from any of the polymer electrolytes contained in the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layer 12.

また、本実施形態の撥水カーボン層35において、撥水カーボン層中心部35bは、第一実施形態で述べた撥水カーボン層用インクを用いて形成すればよく、撥水カーボン層外縁部35aは、上記撥水カーボン層用インクに高分子電解質を添加して得られるインクを用いて形成することができる。
撥水カーボン層外縁部35aを構成する高分子電解質は、撥水カーボン層用インクにおける固形分比で5〜50重量%程度が望ましい。5%以上含有している場合は、ガス拡散層基材34の凹凸、毛羽およびほつれの高分子電解質膜11への直接的な接触の抑制に対して効果的であり、40%以下である場合は、ガス拡散層33の電子伝導性を良好に保ち、十分な電池出力を確保することが可能である。
Further, in the water repellent carbon layer 35 of the present embodiment, the water repellent carbon layer central portion 35b may be formed using the water repellent carbon layer ink described in the first embodiment, and the water repellent carbon layer outer edge portion 35a. Can be formed using an ink obtained by adding a polymer electrolyte to the water repellent carbon layer ink.
The polymer electrolyte constituting the outer edge 35a of the water-repellent carbon layer is desirably about 5 to 50% by weight in terms of the solid content in the ink for the water-repellent carbon layer. When the content is 5% or more, it is effective for suppressing direct contact of the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material 34 with the polymer electrolyte membrane 11, and is 40% or less. It is possible to keep the electron conductivity of the gas diffusion layer 33 good and ensure a sufficient battery output.

本実施形態によれば、撥水カーボン層外縁部35aに高分子電解質を含有させることにより、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できる。よって、本実施形態によれば、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって、高分子電解質膜の破損、分解を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を確実に実現し得るガス拡散層、ガス拡散電極およびこれを含む膜電極接合体を提供することができる。また、上記の膜電極接合体を用い、初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分に安定な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を提供することができる。   According to the present embodiment, the polymer electrolyte is contained in the outer edge portion 35a of the water-repellent carbon layer, so that the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material, which is the cause of deterioration, are alleviated, and the polymer electrolyte membrane is deteriorated. Can be suppressed. Therefore, according to this embodiment, even if the polymer electrolyte fuel cell is repeatedly operated and stopped, the polymer electrolyte membrane can be prevented from being damaged and decomposed over a long period of time, and the initial characteristics can be sufficiently prevented from being deteriorated. It is possible to provide a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode, and a membrane electrode assembly including the gas diffusion layer that can surely realize a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability. Further, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability, which can sufficiently prevent deterioration of initial characteristics, exhibits sufficiently stable battery performance over a long period of time, using the membrane electrode assembly described above. it can.

[第四実施形態]
つぎに、本発明の高分子電解質形燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池(図示せず)に搭載される単電池を構成する膜電極接合体は、図1に示した第一実施形態の膜電極接合体10におけるガス拡散層を異なる構成に代えたものであり、ガス拡散層以外の構成は第一実施形態の膜電極接合体10と同様である。
以下、第四実施形態の膜電極接合体に備えられるガス拡散層について説明する。図8は、第四実施形態の膜電極接合体に備えられるガス拡散層43の概略断面図である。
[Fourth embodiment]
Next, a fourth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. The membrane electrode assembly constituting the unit cell mounted on the fuel cell (not shown) of the fourth embodiment has a different configuration from the gas diffusion layer in the membrane electrode assembly 10 of the first embodiment shown in FIG. The configuration other than the gas diffusion layer is the same as that of the membrane electrode assembly 10 of the first embodiment.
Hereinafter, the gas diffusion layer provided in the membrane electrode assembly of the fourth embodiment will be described. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the gas diffusion layer 43 provided in the membrane electrode assembly of the fourth embodiment.

本実施形態においては、図8に示すように、撥水カーボン層45が、触媒層12が配置されるべき撥水カーボン層中心部45bと、撥水カーボン層中心部45bよりも外側に位置しており触媒層12が配置されない撥水カーボン層外縁部45aとに区分されている。そして、撥水カーボン層外縁部45aに、触媒層12の側面の少なくとも一部を被覆するようにして、高分子電解質とカーボンとを含む層55を有する。劣化の進行が速い高分子電解質膜11の周辺部において、撥水カーボン層45を厚くすることで、劣化要因と推測されるガス拡散層基材44の凹凸、毛羽およびほつれの膜への直接的な接触を抑制できる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the water repellent carbon layer 45 is positioned outside the water repellent carbon layer central portion 45b where the catalyst layer 12 is to be disposed and the water repellent carbon layer central portion 45b. And the water repellent carbon layer outer edge 45a where the catalyst layer 12 is not disposed. The outer edge 45a of the water-repellent carbon layer has a layer 55 containing a polymer electrolyte and carbon so as to cover at least a part of the side surface of the catalyst layer 12. By increasing the thickness of the water-repellent carbon layer 45 at the periphery of the polymer electrolyte membrane 11 where the deterioration progresses rapidly, it is possible to directly apply the unevenness, fluff and fraying film of the gas diffusion layer substrate 44, which is assumed to be a cause of deterioration. Touch can be suppressed.

撥水カーボン層外縁部45aに形成される高分子電解質とカーボンとを含む層55の厚みは、10〜100μm程度であることが望ましい。厚さが10μm以上であると、ガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを十分に緩和され、高分子電解質膜11の劣化抑制が可能である。また、厚さが100μm以内であると、撥水カーボン層中心部45bと触媒層12の結着が十分であり、安定的な電池出力を得ることができる。   The thickness of the layer 55 containing the polymer electrolyte and carbon formed on the outer edge 45a of the water repellent carbon layer is preferably about 10 to 100 μm. When the thickness is 10 μm or more, the unevenness, fluff and fraying of the gas diffusion layer base material are sufficiently relaxed, and deterioration of the polymer electrolyte membrane 11 can be suppressed. Further, when the thickness is within 100 μm, the water repellent carbon layer central portion 45b and the catalyst layer 12 are sufficiently bound, and a stable battery output can be obtained.

高分子電解質とカーボンよりなる層55は、高分子電解質とカーボンと分散媒を含むインクを調製し、当該インクを塗布、乾燥して形成することができる。分散媒としては、上述したものを用いることができる。
前記高分子電解質とカーボンよりなる層55において、前記高分子電解質は、高分子電解質膜および触媒層中含まれる高分子電解質のいずれかと同一であっても異なっていてもかまわない。
The layer 55 made of the polymer electrolyte and carbon can be formed by preparing an ink containing the polymer electrolyte, carbon and a dispersion medium, and applying and drying the ink. As the dispersion medium, those described above can be used.
In the layer 55 composed of the polymer electrolyte and carbon, the polymer electrolyte may be the same as or different from any of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer.

また、前記高分子電解質は、上記インクにおいて、20〜80質量%程度が望ましい。20質量%以上であると、上記インクにおける高分子電解質とカーボンの分散状態が良好であり、80質量%以下であると十分な電子伝導性を確保可能である。
前記高分子電解質とカーボンよりなる層において、前記カーボンは、前記撥水カーボン層を構成するカーボンと同一であっても異なっていてもかまわない。
The polymer electrolyte is preferably about 20 to 80% by mass in the ink. When the content is 20% by mass or more, the dispersion state of the polymer electrolyte and carbon in the ink is good, and when the content is 80% by mass or less, sufficient electronic conductivity can be secured.
In the layer composed of the polymer electrolyte and carbon, the carbon may be the same as or different from the carbon constituting the water-repellent carbon layer.

本実施形態によれば、撥水カーボン層外縁部において、当該撥水カーボン層上に、高分子電解質と導電性カーボンとを含む層を構成することにより、劣化原因であるガス拡散層基材の凹凸、毛羽およびほつれを緩和し、高分子電解質膜の劣化を抑制できる。よって、本実施形態によれば、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても長期にわたって、高分子電解質膜の破損、分解を抑制することができ、かつ初期特性の低下を充分に防止できる、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を確実に実現し得るガス拡散層、ガス拡散電極およびこれを含む膜電極接合体を提供することができる。また、上記の膜電極接合体を用い、初期特性の低下を充分に防止でき、長期にわたって充分に安定な電池性能を発揮する、優れた耐久性を有する高分子電解質形燃料電池を提供することができる。   According to this embodiment, by forming a layer containing a polymer electrolyte and conductive carbon on the water-repellent carbon layer at the outer edge of the water-repellent carbon layer, the gas diffusion layer base material that is the cause of deterioration is formed. Unevenness, fluff and fraying can be alleviated and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, according to this embodiment, even if the polymer electrolyte fuel cell is repeatedly operated and stopped, the polymer electrolyte membrane can be prevented from being damaged and decomposed over a long period of time, and the initial characteristics can be sufficiently prevented from being deteriorated. It is possible to provide a gas diffusion layer, a gas diffusion electrode, and a membrane electrode assembly including the gas diffusion layer that can surely realize a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability. Further, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability, which can sufficiently prevent deterioration of initial characteristics, exhibits sufficiently stable battery performance over a long period of time, using the membrane electrode assembly described above. it can.

以上のような本発明の最大の特徴である撥水カーボン層が、ガス拡散層、膜電極接合体および高分子電解質形燃料電池(単電池)に使用されているか否かは、以下の方法によって確認することが可能である。例えば、走査電子顕微鏡(SEM)による断面観察により、撥水カーボン層の厚さを計測することができ、前記撥水カーボン層外縁部の層構造の確認は容易である。   Whether or not the water repellent carbon layer, which is the greatest feature of the present invention as described above, is used in a gas diffusion layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell (unit cell) is determined by the following method. It is possible to confirm. For example, the thickness of the water repellent carbon layer can be measured by cross-sectional observation with a scanning electron microscope (SEM), and the layer structure of the outer edge of the water repellent carbon layer can be easily confirmed.

また、例えば、X線光電子分光分析装置(XPS)等の元素分析により、前記撥水カーボン層を構成する元素の定量分析が可能である。さらには、フーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)、核磁気共鳴装置(NMR)等の元素構造分析により、前記撥水カーボン層の構成材料の構造も判別することが可能である。   In addition, for example, quantitative analysis of the elements constituting the water-repellent carbon layer is possible by elemental analysis such as an X-ray photoelectron spectrometer (XPS). Furthermore, the structure of the constituent material of the water-repellent carbon layer can be determined by elemental structural analysis such as a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR), a nuclear magnetic resonance apparatus (NMR), or the like.

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
先に述べた、本発明の高分子電解質形燃料電池の好適な一実施形態においては、1個の単電池のみからなる高分子電解質形燃料電池について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。単電池を複数積層したスタックの構成を有する高分子電解質形燃料電池も本発明の範囲に含まれる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment.
In the preferred embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention described above, the polymer electrolyte fuel cell consisting of only one unit cell has been described, but the present invention is limited to this. It is not a thing. A polymer electrolyte fuel cell having a stack structure in which a plurality of unit cells are stacked is also included in the scope of the present invention.

また、上記実施形態においては、アノード側およびカソード側のセパレータの両方に冷却水流路を設ける態様を説明したが、少なくとも一方のセパレータに冷却水流路を設ける構成であってもよい。特に、複数の単電池1を積層して得られるスタックを本発明の高分子電解質形燃料電池として用いる場合は、2〜3個の単電池毎に、1つの冷却水流路を設けてもよい。   In the above embodiment, the cooling water flow path is provided in both the anode side and cathode side separators. However, the cooling water flow path may be provided in at least one separator. In particular, when a stack obtained by stacking a plurality of unit cells 1 is used as the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, one cooling water channel may be provided for every two to three unit cells.

本発明の高分子電解質形燃料電池は、自動車などの移動体、分散発電システムおよび家庭用のコージェネレーションシステムなどに好適に利用されることが期待される。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is expected to be suitably used for mobile objects such as automobiles, distributed power generation systems, and home cogeneration systems.

本発明の高分子電解質形燃料電池の好適な一実施形態に搭載される単電池を構成する膜電極接合体10(MEA:Membrane-electrode assembly)の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the membrane electrode assembly 10 (MEA: Membrane-electrode assembly) which comprises the single cell mounted in suitable one Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 図1に示す膜電極接合体10を搭載する高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the unit cell mounted in the polymer electrolyte fuel cell which mounts the membrane electrode assembly 10 shown in FIG. 図2においてPで示される部分の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a portion indicated by P in FIG. 2. 本発明の第一実施形態におけるガス拡散層13の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas diffusion layer 13 in 1st embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態におけるガス拡散層23の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas diffusion layer 23 in 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態におけるガス拡散層23の変形例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the modification of the gas diffusion layer 23 in 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三実施形態におけるガス拡散層33の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas diffusion layer 33 in 3rd embodiment of this invention. 本発明の第四実施形態におけるガス拡散層43の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the gas diffusion layer 43 in 4th embodiment of this invention. 従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the membrane electrode assembly (MEA: Membrane-electrode assembly) mounted in the conventional polymer electrolyte fuel cell. 図9に示す膜電極接合体100を搭載する高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the unit cell mounted in the polymer electrolyte fuel cell which mounts the membrane electrode assembly 100 shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10、100・・・膜電極接合体、11、101・・・高分子電解質膜、12、102・・・触媒層、13、103・・・ガス拡散層、14、24、34、44、104・・・ガス拡散層基材、15、52、35、45、105・・・撥水カーボン層、15a、25a、35a、45a・・・撥水カーボン層外縁部、15b、25b、35b、45b・・・撥水カーボン層中心部、16、106・・・ガスケット、17、107・・・セパレータ、17a、107a・・・ガス流路、17b、107b・・・冷却水流路、55・・・高分子電解質とカーボンとを含む層






DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 ... Membrane electrode assembly 11, 101 ... Polymer electrolyte membrane, 12, 102 ... Catalyst layer, 13, 103 ... Gas diffusion layer, 14, 24, 34, 44, 104 ... Gas diffusion layer base material, 15, 52, 35, 45, 105 ... Water repellent carbon layer, 15a, 25a, 35a, 45a ... Water repellent carbon layer outer edge, 15b, 25b, 35b, 45b ... Water repellent carbon layer central part, 16, 106 ... Gasket, 17, 107 ... Separator, 17a, 107a ... Gas flow path, 17b, 107b ... Cooling water flow path, 55 ... Layer containing polyelectrolyte and carbon






Claims (7)

電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、前記触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
前記触媒層と前記ガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
前記撥水カーボン層は、前記触媒層が配置されるべき中心部に対し前記触媒層の外周部より外側に位置することになる外縁部が10〜100μm高くなっており、かつ、該外縁部は前記触媒層の側面の少なくとも一部を被覆するように形成されていること、
を特徴とするガス拡散層。
It is used for a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst, and is a gas diffusion layer that serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer base material and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water repellent carbon layer has an outer edge portion that is located outside the outer peripheral portion of the catalyst layer with respect to the central portion where the catalyst layer is to be disposed, and is 10 to 100 μm higher, and the outer edge portion is Formed so as to cover at least a part of the side surface of the catalyst layer;
Gas diffusion layer characterized by
電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、前記触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
前記触媒層と前記ガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
前記撥水カーボン層は、前記触媒層が配置されるべき中心部を構成する前記撥水材料の単位面積あたりの質量に対して、前記触媒層の外周部より外側に位置することになる外縁部を構成する前記撥水材料の単位面積あたりの質量が5〜40%高くなるように形成されていること、
を特徴とするガス拡散層。
It is used for a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst, and is a gas diffusion layer that serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer base material and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water repellent carbon layer is located outside the outer peripheral portion of the catalyst layer with respect to the mass per unit area of the water repellent material constituting the central portion where the catalyst layer is to be disposed. Formed so that the mass per unit area of the water repellent material constituting 5 to 40% higher,
Gas diffusion layer characterized by
電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、前記触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
前記触媒層と前記ガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
前記撥水カーボン層は、前記触媒層が配置されるべき中心部と、該中心部よりも外側に位置しており前記触媒層が配置されない外縁部とに区分されており、
前記外縁部には、高分子電解質が含有されていること、
を特徴とするガス拡散層。
It is used for a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst, and is a gas diffusion layer that serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer base material and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water repellent carbon layer is divided into a central portion where the catalyst layer is to be disposed, and an outer edge portion which is located outside the central portion and where the catalyst layer is not disposed,
The outer edge portion contains a polymer electrolyte,
Gas diffusion layer characterized by
電極触媒を含む触媒層を含むガス拡散電極に用いられており、前記触媒層の支持体となるガス拡散層であって、
撥水材料を含むガス拡散層基材と、
前記触媒層と前記ガス拡散層基材との間に配置されており導電性カーボンおよび撥水材料を含む撥水カーボン層と、
を含む構成を有しており、
前記撥水カーボン層は、前記触媒層が配置されるべき中心部と、該中心部よりも外側に位置しており前記触媒層が配置されない外縁部とに区分されており、
前記外縁部には、前記触媒層の側面の少なくとも一部を被覆するようにして、高分子電解質および導電性カーボンを含む層が更に配置されていること、
を特徴とするガス拡散層。
It is used for a gas diffusion electrode including a catalyst layer including an electrode catalyst, and is a gas diffusion layer that serves as a support for the catalyst layer,
A gas diffusion layer substrate containing a water repellent material;
A water repellent carbon layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer base material and comprising conductive carbon and a water repellent material;
Has a configuration including
The water repellent carbon layer is divided into a central portion where the catalyst layer is to be disposed, and an outer edge portion which is located outside the central portion and where the catalyst layer is not disposed,
A layer containing a polymer electrolyte and conductive carbon is further disposed on the outer edge so as to cover at least a part of the side surface of the catalyst layer.
Gas diffusion layer characterized by
前記撥水カーボン層の前記ガス拡散層基材に接触する側の主面の面積と前記ガス拡散層基材の前記撥水カーボン層に接触する側の主面の面積とが略同一であること、
を特徴とする請求項1〜4のうちのいずれかに記載のガス拡散層。
The area of the main surface of the water-repellent carbon layer on the side in contact with the gas diffusion layer substrate is substantially the same as the area of the main surface of the gas diffusion layer substrate on the side in contact with the water-repellent carbon layer. ,
The gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 4.
請求項1〜4のうちのいずれかに記載のガス拡散層と、
前記ガス拡散層の前記撥水カーボン層の前記中心部に配置される触媒層と、
を有していること、
を特徴とするガス拡散電極。
A gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 4,
A catalyst layer disposed in the central portion of the water-repellent carbon layer of the gas diffusion layer;
Having
A gas diffusion electrode characterized by.
アノードとカソードと、前記アノードおよびカソードの間に配置される高分子電解質膜と、を有する膜電極接合体であって、
前記アノードおよび前記カソードのうちの少なくとも一方が、請求項6に記載のガス拡散電極であること、
を特徴とする膜電極接合体。



A membrane electrode assembly having an anode and a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode,
At least one of the anode and the cathode is the gas diffusion electrode according to claim 6;
A membrane electrode assembly characterized by the above.



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