JP2008004453A - Membrane electrode assembly for fuel cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2008004453A
JP2008004453A JP2006174547A JP2006174547A JP2008004453A JP 2008004453 A JP2008004453 A JP 2008004453A JP 2006174547 A JP2006174547 A JP 2006174547A JP 2006174547 A JP2006174547 A JP 2006174547A JP 2008004453 A JP2008004453 A JP 2008004453A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
electrode
water
fuel
carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006174547A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Morita
亮 森田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2006174547A priority Critical patent/JP2008004453A/en
Publication of JP2008004453A publication Critical patent/JP2008004453A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly capable of preventing oxidation corrosion at the time of fuel deficiency of a carbon material which is a catalyst carrier, while holding power generation performance at normal power generation. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly has a fuel electrode on one face side of an electrolyte membrane and an oxidizer electrode on the other face side. In the membrane electrode assembly for a fuel cell, the fuel electrode contains a carbon nanotube containing a water electrolysis catalyst having catalyst activity against water electrolysis, and an electrode catalyst. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as being easy to downsize and operating at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

水素を燃料、空気(酸素)を酸化剤とする固体高分子電解質型燃料電池において、通常発電時、燃料極(アノード)では(1)式の反応が進行する。
2H → 4H + 4e ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極(カソード)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内を燃料極から酸化剤極側に移動する。
In a solid polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel and air (oxygen) as an oxidant, the reaction of formula (1) proceeds at the fuel electrode (anode) during normal power generation.
2H 2 → 4H + + 4e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the oxidant electrode (cathode) after working with an external load via an external circuit. The proton generated in the formula (1) moves from the fuel electrode to the oxidant electrode side in the solid polymer electrolyte membrane in a hydrated state with water.

一方、酸化剤極では(2)式の反応が進行する。
4H + O + 4e → 2HO ・・・(2)
すなわち、電池全体としては、
2H + O → 2HO・・・・(3)
の反応が進行し、発電する。
On the other hand, the reaction of the formula (2) proceeds at the oxidant electrode.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)
That is, as a whole battery,
2H 2 + O 2 → 2H 2 O (3)
The reaction proceeds to generate electricity.

しかしながら、燃料極において、何らかの原因、例えば、ガス流路の閉塞やフラッディング等により、水素等の燃料が欠乏する状態(以下、燃料欠という)が発生すると、電池特性が低下することが知られている。燃料の供給状態に異常が生じ、燃料欠が発生した単セルでは、燃料の酸化により生成するプロトンと電子が不足する。この不足したプロトンと電子を補給するため、当該単セルでは、燃料極に存在する水分、或いは、電解質膜や酸化剤極が保持している水分の電気分解(HO → 2H + 2e + 1/2O)が進行する。このとき、当該単セルの燃料極の電位は、水の電気分解電位まで上昇し、その結果、燃料極(アノード)と酸化剤極(カソード)の電位が逆転する逆電位状態となる。 However, it is known that if the fuel electrode is deficient in fuel such as hydrogen (hereinafter referred to as fuel shortage) due to some cause, for example, gas channel blockage or flooding, the battery characteristics will deteriorate. Yes. In a single cell in which an abnormality occurs in the fuel supply state and fuel shortage occurs, protons and electrons generated by fuel oxidation are insufficient. In order to replenish these deficient protons and electrons, in the single cell, the water present in the fuel electrode or the water electrolysis of the electrolyte membrane and the oxidant electrode (H 2 O → 2H + + 2e + 1 / 2O 2 ) proceeds. At this time, the potential of the fuel electrode of the single cell rises to the electrolysis potential of water, and as a result, the potential of the fuel electrode (anode) and the oxidant electrode (cathode) is reversed.

燃料極における水の電気分解によって、プロトンと電子を十分に補給することができている間は、燃料極の電位は安定しているが、水の電気分解だけではプロトンと電子が十分に確保されない場合、さらに燃料極の電位が上昇し、電極を構成している炭素材料(例えば、電極触媒を担持している炭素粒子など)の酸化反応(C + 2HO → CO + 4H + 4e)が進行し、電子とプロトンを補給する。この炭素材料の酸化腐食は、炭素材料の表面を酸化被膜が覆い、ひいては、炭素材料を分解、消失させる。 While the electrolysis of water in the fuel electrode can sufficiently supply protons and electrons, the potential of the fuel electrode is stable, but the electrolysis of water alone does not secure enough protons and electrons. In this case, the potential of the fuel electrode further increases, and the oxidation reaction (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e) of the carbon material constituting the electrode (for example, carbon particles supporting the electrode catalyst). - ) Progresses and replenishes electrons and protons. In this oxidative corrosion of the carbon material, the surface of the carbon material is covered with an oxide film, and as a result, the carbon material is decomposed and lost.

導電性材料である炭素材料の表面酸化や消失等は、セルの導電性を低下させ、接触不良による抵抗増大を生じさせる。また、撥水性材料である炭素材料の表面酸化や消失等は、セルの撥水性を低下させ、反応ガスの供給を阻害するフラッディングを発生しやすくする。また、金属触媒粒子を担持している炭素材料の分解や消失によって、金属触媒粒子が欠落又は移動し、有効な触媒表面積が減少する。このように炭素材料の酸化腐食により、燃料電池の発電性能は大きく低下し、安定した発電性能を発現することができなくなる。   Surface oxidation or disappearance of the carbon material, which is a conductive material, lowers the conductivity of the cell and causes an increase in resistance due to poor contact. In addition, the surface oxidation or disappearance of the carbon material, which is a water repellent material, reduces the water repellency of the cell and easily causes flooding that hinders the supply of the reaction gas. In addition, due to decomposition or disappearance of the carbon material carrying the metal catalyst particles, the metal catalyst particles are lost or moved, and the effective catalyst surface area is reduced. Thus, due to the oxidative corrosion of the carbon material, the power generation performance of the fuel cell is greatly reduced, and stable power generation performance cannot be expressed.

以上のような燃料極における炭素材料の酸化は、不可逆的な反応であるため、燃料欠が解消されても、燃料電池の性能は燃料欠前の状態に復活しない。このような燃料欠状態に起因する問題を解決するための技術としては、例えば、特許文献1や特許文献2に記載のものが挙げられる。   Since the oxidation of the carbon material at the fuel electrode as described above is an irreversible reaction, the performance of the fuel cell does not return to the state before the fuel shortage even if the fuel shortage is eliminated. Examples of a technique for solving the problem caused by such a fuel shortage state include those described in Patent Document 1 and Patent Document 2.

特許文献1には、電圧反転に対して改良された耐性を有する燃料電池において用いられるアノードであって、該アノードは、該アノード向けの燃料を電気化学的に酸化させるための第一の触媒組成物と、水から酸素を発生させるための第二の触媒組成物とを備えるアノードが開示されている。
また、特許文献2には、拡散層を経て導入された燃料を酸化する燃料電池反応を進行させる高分子固体電解質形燃料電池の燃料極において、高分子固体電解質膜に接し、前記燃料電池反応を進行させる少なくとも1層の反応層と、前記拡散層に接し、燃料極中の水を電気分解する少なくとも1層の水分解層と、からなることを特徴とする高分子固体電解質形燃料電池の燃料極が開示されている。
Patent Document 1 discloses an anode used in a fuel cell having improved resistance to voltage reversal, wherein the anode is a first catalyst composition for electrochemically oxidizing fuel for the anode. And an anode comprising a second catalyst composition for generating oxygen from water is disclosed.
Patent Document 2 discloses that a fuel electrode of a solid polymer electrolyte fuel cell that promotes a fuel cell reaction that oxidizes fuel introduced through a diffusion layer is in contact with a solid polymer electrolyte membrane and performs the fuel cell reaction. A fuel for a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising: at least one reaction layer to be advanced; and at least one water decomposition layer that is in contact with the diffusion layer and electrolyzes water in the fuel electrode The pole is disclosed.

特表2003−508877号公報Special table 2003-508877 gazette 特開2004−22503号公報JP 2004-22503 A 特開2005−141966号公報JP 2005-141966 A

しかしながら、水の電解分解に対して触媒活性を有する水電解触媒は、水との親和性が高いため、特許文献1や特許文献2のように単に水電解触媒を電極中に添加混合すると、電極内に水が滞留し、フラッディングが発生しやすくなる。その結果、通常発電時における燃料電池の発電性能が低下してしまう。   However, since the water electrocatalyst having catalytic activity for the electrolysis of water has high affinity with water, when the water electrocatalyst is simply added and mixed in the electrode as in Patent Document 1 and Patent Document 2, the electrode Water stays inside and flooding is likely to occur. As a result, the power generation performance of the fuel cell during normal power generation is reduced.

また、特許文献3には、導電性担体に触媒金属が担持されてなる触媒担持導電性部材と、電解質ポリマーとを含む電極触媒層を含む触媒担持電極であって、前記電極触媒層が、撥水材を含有させた導電性担体および/または電解質ポリマーを含有することを特徴とする触媒担持電極が開示されている。特許文献3の技術は、触媒担体の腐食を抑制することで、長期にわたり高い触媒活性を示す触媒担持電極を提供することを目的とするものであり、導電性担体および/または電解質ポリマーに含有させた撥水材を経時的に放出させることで、触媒層内での水の滞留などによって発生しやすい触媒層の劣化を防止できるとしている。しかしながら、撥水材による水の滞留防止だけでは、触媒担体である炭素材料の腐食を充分に抑制することはできない。   Patent Document 3 discloses a catalyst-carrying electrode including a catalyst-carrying conductive member in which a catalyst metal is carried on a conductive carrier and an electrode catalyst layer containing an electrolyte polymer. A catalyst-supporting electrode characterized by containing a conductive carrier and / or an electrolyte polymer containing a water material is disclosed. The technique of Patent Document 3 aims to provide a catalyst-carrying electrode that exhibits high catalytic activity over a long period of time by suppressing corrosion of the catalyst carrier, and is contained in a conductive carrier and / or electrolyte polymer. By releasing the water repellent material over time, it is possible to prevent deterioration of the catalyst layer, which is likely to occur due to retention of water in the catalyst layer. However, corrosion of the carbon material that is a catalyst carrier cannot be sufficiently suppressed only by preventing water retention by the water repellent material.

本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、通常発電時の発電性能を保持しつつ、触媒担体である炭素材料の燃料欠時における酸化腐食を防止することができる膜電極接合体を提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and is a membrane electrode assembly capable of preventing oxidative corrosion at the time of fuel shortage of a carbon material as a catalyst support while maintaining power generation performance during normal power generation. The purpose is to provide.

本発明の燃料電池用膜電極接合体は、電解質膜の一面側に燃料極、他面側に酸化剤極を備える燃料電池用膜電極接合体であって、前記燃料極が、水の電気分解に対して触媒活性を有する水電解触媒を内包したカーボンナノチューブと、電極触媒とを含有することを特徴とするものである。
本発明の燃料電池用膜電極接合体は、水電解触媒をカーボンナノチューブ内に内包させ、親水性の高い水電解触媒の燃料極内への露出を抑制することによって、燃料極内に水が滞留するいわゆるフラッディングの発生を抑えることができる。また、カーボンナノチューブが酸化腐食され、水電解触媒が放出される際には、当該水電解触媒の触媒作用によって、炭素材料の酸化腐食反応よりも水の電気分解が先行して進行するため、燃料極内の炭素材料、特に電極触媒の担体である炭素材料の酸化腐食を抑制することができる。
A membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention is a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a fuel electrode on one side of an electrolyte membrane and an oxidant electrode on the other side, wherein the fuel electrode is electrolyzed water. It contains a carbon nanotube encapsulating a water electrocatalyst having catalytic activity and an electrode catalyst.
The membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention contains water electrocatalysts in carbon nanotubes and suppresses exposure of the highly hydrophilic water electrocatalyst to the fuel electrode, so that water stays in the fuel electrode. Occurrence of so-called flooding can be suppressed. Also, when carbon nanotubes are oxidatively corroded and the water electrocatalyst is released, the electrolysis of water proceeds ahead of the oxidative corrosion reaction of the carbon material due to the catalytic action of the water electrocatalyst. It is possible to suppress oxidative corrosion of the carbon material in the pole, particularly the carbon material that is a support for the electrode catalyst.

前記水電解触媒を内包したカーボンナノチューブは、燃料極内であれば、含有させる位置は特に限定されず、触媒層内でも、ガス拡散層内でも、触媒層とガス拡散層との界面でも、燃料極全域でもよいが、前記電極触媒を担持させる導電性粒子よりもカーボンナノチューブが優先的に酸化腐食されるように、前記電解質膜との境界面に配置することが好ましい。具体的には、前記燃料極が、前記電解質膜との境界面に、該水電解触媒を内包したカーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ層を備える構造であることが好ましい。
前記電極触媒を担持する導電性粒子の酸化腐食をより確実に抑制するためには、該電極触媒を担持させる導電性粒子として、前記カーボンナノチューブよりも耐酸化性の高いものを用いることが好ましい。
The carbon nanotube encapsulating the water electrocatalyst is not particularly limited as long as it is contained in the fuel electrode, and the fuel is contained in the catalyst layer, in the gas diffusion layer, at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer. Although it may be the entire pole region, it is preferably disposed at the interface with the electrolyte membrane so that the carbon nanotubes are preferentially oxidized and corroded over the conductive particles supporting the electrode catalyst. Specifically, it is preferable that the fuel electrode has a structure including a carbon nanotube layer containing a carbon nanotube containing the water electrocatalyst at a boundary surface with the electrolyte membrane.
In order to more reliably suppress oxidative corrosion of the conductive particles supporting the electrode catalyst, it is preferable to use conductive particles supporting the electrode catalyst that have higher oxidation resistance than the carbon nanotubes.

本発明の燃料電池用膜電極接合体は、水電解触媒をカーボンナノチューブ内に内包させることによって、水電解触媒の親水性に起因して生じ易いフラッディングの発生を抑制することができる。ゆえに、本発明の燃料電池用膜電極接合体は、水電解触媒の親水性を原因とする発電性能の低下が生じにくい。また、カーボンナノチューブ内に内包された水電解触媒は、カーボンナノチューブの酸化腐食により経時的にカーボンナノチューブ外へと放出され、水電解を促進し、燃料極内の炭素材料の酸化腐食を抑えることができる。従って、本発明によれば、通常発電時の発電性能を保持しつつ、燃料極の触媒担体である炭素材料が燃料欠時において酸化腐食するのを防止することが可能である。   The membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention can suppress the occurrence of flooding that tends to occur due to the hydrophilicity of the water electrocatalyst by encapsulating the water electrocatalyst in the carbon nanotube. Therefore, the membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention is less likely to cause a decrease in power generation performance due to the hydrophilicity of the water electrocatalyst. Also, the water electrocatalyst encapsulated in the carbon nanotubes is released to the outside of the carbon nanotubes over time due to the oxidative corrosion of the carbon nanotubes, promotes water electrolysis, and suppresses the oxidative corrosion of the carbon material in the fuel electrode. it can. Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent the carbon material that is the catalyst carrier of the fuel electrode from being oxidatively corroded when the fuel is insufficient, while maintaining the power generation performance during normal power generation.

本発明の燃料電池用膜電極接合体は、電解質膜の一面側に燃料極、他面側に酸化剤極を備える燃料電池用膜電極接合体であって、前記燃料極が、水の電気分解に対して触媒活性を有する水電解触媒を内包したカーボンナノチューブと、電極触媒とを含有することを特徴とするものである。   A membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention is a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a fuel electrode on one side of an electrolyte membrane and an oxidant electrode on the other side, wherein the fuel electrode is electrolyzed water. It contains a carbon nanotube encapsulating a water electrocatalyst having catalytic activity and an electrode catalyst.

以下、図1〜図4を用いて、本発明の燃料電池用膜電極接合体について説明する。図1は、本発明の燃料電池用膜電極接合体の一形態例を示す図であって、本発明の燃料電池用膜電極接合体を備える単セルの断面図、図2は、図1の部分拡大図である。   Hereinafter, the membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a view showing an embodiment of a fuel cell membrane electrode assembly according to the present invention, and is a cross-sectional view of a single cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly according to the present invention. FIG. It is a partial enlarged view.

図1において、単セル100は、電解質膜1の一方の面に燃料極(アノード)4a、他方の面に酸化剤極(カソード)4bが設けられた膜・電極接合体5を備えている。本実施形態において、燃料極4aは、電解質膜側から順に、カーボンナノチューブ層8と燃料極側触媒層2aと燃料極側ガス拡散層3aとが積層した構造を有している。一方、酸化剤極4bは、電解質膜側から順に、酸化剤極側触媒層2bと酸化剤極側ガス拡散層3bとが積層した構造を有している。
各電極(燃料極、酸化剤極)の触媒層2は、電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒(図示せず)が含有されており、電極反応の場となる。ガス拡散層3は、触媒層2への反応ガスの拡散性を高めるためのものである。燃料極のみに設けられたカーボンナノチューブ層8は、水電解触媒が内包されたカーボンナノチューブを含有する層である。
In FIG. 1, a single cell 100 includes a membrane / electrode assembly 5 in which a fuel electrode (anode) 4a is provided on one surface of an electrolyte membrane 1 and an oxidant electrode (cathode) 4b is provided on the other surface. In the present embodiment, the fuel electrode 4a has a structure in which the carbon nanotube layer 8, the fuel electrode side catalyst layer 2a, and the fuel electrode side gas diffusion layer 3a are laminated in order from the electrolyte membrane side. On the other hand, the oxidant electrode 4b has a structure in which an oxidant electrode side catalyst layer 2b and an oxidant electrode side gas diffusion layer 3b are laminated in order from the electrolyte membrane side.
The catalyst layer 2 of each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) contains an electrode catalyst (not shown) having catalytic activity for the electrode reaction, and serves as a field for the electrode reaction. The gas diffusion layer 3 is for increasing the diffusibility of the reaction gas to the catalyst layer 2. The carbon nanotube layer 8 provided only in the fuel electrode is a layer containing carbon nanotubes in which a water electrocatalyst is included.

尚、本発明の膜電極接合体において、燃料極の構造は、図1に示すものに限定されず、図4のように触媒層2aとガス拡散層3aとの2層からなる構造であってもよいし、触媒層のみからなる構造(図示せず)でもよいし、カーボンナノチューブ層、触媒層及びガス拡散層以外の層を備える構造(図示せず)でもよい。また、酸化剤極は、触媒層のみからなる構造でもよいし、触媒層とガス拡散層以外の層の備える構造であってもよい。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, the structure of the fuel electrode is not limited to that shown in FIG. 1, and is a structure composed of two layers of a catalyst layer 2a and a gas diffusion layer 3a as shown in FIG. Alternatively, a structure (not shown) including only the catalyst layer may be used, or a structure (not shown) including layers other than the carbon nanotube layer, the catalyst layer, and the gas diffusion layer may be used. Moreover, the structure which consists only of a catalyst layer may be sufficient as an oxidizing agent electrode, and the structure with which layers other than a catalyst layer and a gas diffusion layer are equipped may be sufficient.

膜・電極接合体5は、燃料極側セパレータ6a及び酸化剤極側セパレータ6bで挟持され、単セル100を構成している。セパレータ6は、各電極4に反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給する流路7(7a、7b)を画成し、各単セル間をガスシールすると共に、集電体としても機能するものである。燃料極4aは、流路7aから燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させるガス。通常、水素ガス)が供給され、酸化剤極4bは、流路7bから酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させるガス。通常は空気。)が供給される。
単セル100は、通常、複数積層されスタックとして燃料電池内に組み込まれる。
The membrane / electrode assembly 5 is sandwiched between the fuel electrode side separator 6 a and the oxidant electrode side separator 6 b to constitute a single cell 100. The separator 6 defines a flow path 7 (7a, 7b) for supplying a reaction gas (fuel gas, oxidant gas) to each electrode 4 and gas-seals between each single cell, and also functions as a current collector. To do. The fuel electrode 4a is supplied with fuel gas (a gas containing hydrogen or generating hydrogen, usually hydrogen gas) from the flow path 7a, and the oxidant electrode 4b is supplied with an oxidant gas (including oxygen or oxygen) from the flow path 7b. (Usually air).
A plurality of single cells 100 are usually stacked and assembled into a fuel cell as a stack.

本発明の燃料電池用膜電極接合体は、燃料極に、電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒の他に、水の電気分解を促進する水電解触媒を含有するものであり、該水電解触媒をカーボンナノチューブに内包された状態で含有する点に特徴を有する。   The membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention contains, in the fuel electrode, a water electrocatalyst that promotes electrolysis of water in addition to an electrode catalyst having catalytic activity for an electrode reaction. The electrocatalyst is characterized in that it is contained in a carbon nanotube.

燃料欠状態において、燃料極では、プロトンと電子の不足を補うため、水の電気分解や、さらには炭素材料の酸化反応が進行する。触媒担体である炭素粒子の酸化反応が進行すると、電極の導電性低下及び撥水性低下、さらには、電極触媒の剥落や移動による触媒活性の低下が発生する。このような炭素粒子の酸化反応に起因する発電性能の低下は、燃料欠状態が解消された後も復活することがない。従って、このような燃料欠状態における触媒担体炭素粒子の酸化腐食を抑制することが、燃料電池の耐久性を向上させる上で重要となってくる。   In the fuel shortage state, in the fuel electrode, in order to compensate for the shortage of protons and electrons, the electrolysis of water and the oxidation reaction of the carbon material proceed. When the oxidation reaction of the carbon particles as the catalyst carrier proceeds, the conductivity and water repellency of the electrode are lowered, and further, the catalytic activity is lowered due to peeling or movement of the electrode catalyst. Such a decrease in power generation performance due to the oxidation reaction of the carbon particles will not be restored even after the fuel shortage state is resolved. Therefore, it is important to suppress the oxidative corrosion of the catalyst carrier carbon particles in such a fuel shortage state in order to improve the durability of the fuel cell.

そこで、燃料欠時における触媒担体の炭素粒子の酸化腐食を防止するため、従来、電極触媒と共に水電解触媒が用いられてきた。燃料極内に水電解触媒を存在させることによって、水の電気分解が促進され、水の電気分解により、より多くのプロトンと電子が補給されるようにすることで、炭素材料の酸化腐食反応の進行を抑制することができるからである。
しかしながら、水電解触媒は水との親和性が高いため、電極内に水が滞留しやすくなる、すなわち、フラッディングが発生しやすくなるという問題がある。従って、単に水電解触媒を電極内に含有させるだけでは、燃料欠時の炭素材料の酸化腐食を抑制することができても、通常発電時にフラッディングを原因として発電性能の低下が生じてしまう。
Therefore, in order to prevent oxidative corrosion of the carbon particles of the catalyst carrier when the fuel is absent, a water electrocatalyst has been conventionally used together with the electrode catalyst. The presence of a water electrocatalyst in the fuel electrode promotes the electrolysis of water, and the electrolysis of water replenishes more protons and electrons. This is because the progress can be suppressed.
However, since the water electrocatalyst has a high affinity with water, there is a problem that water tends to stay in the electrode, that is, flooding is likely to occur. Therefore, even if the water electrocatalyst is simply contained in the electrode, the oxidative corrosion of the carbon material at the time of fuel shortage can be suppressed, but the power generation performance is reduced due to flooding during normal power generation.

これに対して、本発明の燃料電池は、水電解触媒を、水電解触媒より親水性が低いカーボンナノチューブ内に内包(図3参照)させることによって、水との親和性の高い水電解触媒の露出を抑え、フラッディングの発生を防止することができる。そして、カーボンナノチューブに内包された水電解触媒は、カーボンナノチューブの酸化腐食が進行すると、すなわち、燃料欠状態になると、燃料極内に放出され(図2の2A→2B参照)、燃料極内における水の電気分解を促進させる。その結果、電極触媒を担持している炭素粒子等の炭素材料の酸化腐食の進行が阻止される。   On the other hand, the fuel cell of the present invention includes a water electrocatalyst having a high affinity for water by encapsulating the water electrocatalyst in a carbon nanotube having a lower hydrophilicity than the water electrocatalyst (see FIG. 3). Exposure can be suppressed and flooding can be prevented. The water electrocatalyst encapsulated in the carbon nanotubes is released into the fuel electrode when the oxidative corrosion of the carbon nanotubes proceeds, that is, in a fuel shortage state (see 2A → 2B in FIG. 2). Promotes water electrolysis. As a result, the progress of oxidative corrosion of carbon materials such as carbon particles carrying the electrode catalyst is prevented.

以上のように、本発明の燃料電池用膜電極接合体において、水電解触媒は、水の電気分解を促進する必要がないときには、カーボンナノチューブ内に内包され(図2A)、水の電気分解を促進する必要があるときには、カーボンナノチューブから放出される(図2B)。そのため、本発明の膜電極接合体の燃料極では、水電解触媒を含有するにもかかわらず、通常発電時にフラッディングによる発電性能の低下が生じにくく、且つ、燃料欠時には、水電解触媒の作用により炭素材料の酸化腐食を抑制することができる。また、従来の単に水電解触媒を電極内に含有させていた電極と比較して、水電解触媒の使用量を低減することも可能である。   As described above, in the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, when it is not necessary to promote the electrolysis of water, the water electrocatalyst is included in the carbon nanotube (FIG. 2A), and the electrolysis of water is performed. When it needs to be promoted, it is released from the carbon nanotubes (FIG. 2B). Therefore, in the fuel electrode of the membrane electrode assembly of the present invention, although it contains a water electrocatalyst, it is difficult for the power generation performance to be reduced by flooding during normal power generation. Oxidative corrosion of the carbon material can be suppressed. Moreover, it is also possible to reduce the usage-amount of a water electrolysis catalyst compared with the electrode which contained the water electrocatalyst conventionally in the electrode.

以下、本発明の燃料電池用膜電極接合体について、詳しく説明していく。
電極触媒としては、電極反応に対して触媒活性を有するものであれば特に限定されず、燃料極用電極触媒として一般的に用いられているものを用いることができる。通常は、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金等が挙げられる。好ましくは、白金、及び白金−ルテニウム合金等の白金合金である。電極触媒の使用量は、電極の単位面積当たり0.02〜10mg/cm、特に0.05〜1mg/cmとすることが好ましい。
The fuel cell membrane electrode assembly of the present invention will be described in detail below.
The electrode catalyst is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the electrode reaction, and those generally used as an electrode catalyst for a fuel electrode can be used. Usually, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, or alloys thereof can be used. Preferred are platinum alloys such as platinum and platinum-ruthenium alloys. The amount of the electrode catalyst per unit area 0.02 to 10 mg / cm 2 of electrode, particularly preferably a 0.05 to 1 mg / cm 2.

電極触媒は、該電極触媒での電極反応における電子の授受がスムーズに行われるように、また、電極内における電極触媒の分散性を確保するために、通常、導電性粒子に担持される。導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や、酸化チタン(TiO)、その他金属の酸化物、金属炭化物等の金属粒子等が挙げられる。導電性粒子は、球状に限定されず、繊維状のようなアスペクト比が比較的大きな形状のものも含まれる。 The electrode catalyst is usually supported on conductive particles so that electrons can be smoothly exchanged in the electrode reaction in the electrode catalyst, and in order to ensure the dispersibility of the electrode catalyst in the electrode. Examples of the conductive particles include carbon particles such as carbon black, metal particles such as titanium oxide (TiO 2 ), other metal oxides, and metal carbides. The conductive particles are not limited to a spherical shape, and include particles having a relatively large aspect ratio such as a fibrous shape.

燃料欠時における触媒担体である導電性粒子の酸化腐食をより確実に抑制する観点から、導電性粒子はカーボンナノチューブよりも耐酸化性が高いものが好ましい。具体的には、高温加熱処理(400〜2000℃程度)し、グラファイト化した炭素粒子や、表面をフッ化処理した炭素粒子等の耐酸化性に優れた炭素粒子、酸化チタン、その他金属の酸化物等の耐酸化性に優れた金属粒子が好ましい。
水電解触媒を内包するカーボンナノチューブと比較して高い耐酸化性を有する導電性粒子を用いることで、該カーボンナノチューブが犠牲的に酸化腐食し、電極触媒を担持している導電性粒子の酸化腐食の進行を阻止することができる。そして、カーボンナノチューブが優先的に酸化腐食されることにより水電解触媒が放出され、水の電気分解が促進されるため、さらに、導電性粒子の酸化腐食が防止される。
From the viewpoint of more reliably suppressing the oxidative corrosion of the conductive particles as the catalyst carrier when the fuel is absent, the conductive particles preferably have higher oxidation resistance than the carbon nanotubes. Specifically, carbon particles excellent in oxidation resistance, such as graphitized carbon particles subjected to high-temperature heat treatment (about 400 to 2000 ° C.) and carbon particles whose surfaces are fluorinated, titanium oxide, oxidation of other metals Metal particles excellent in oxidation resistance such as materials are preferred.
By using conductive particles with higher oxidation resistance compared to carbon nanotubes encapsulating a water electrocatalyst, the carbon nanotubes are sacrificed by oxidative corrosion, and oxidative corrosion of conductive particles carrying an electrode catalyst. Can be prevented. Since the carbon nanotubes are preferentially oxidized and corroded, the water electrocatalyst is released and the electrolysis of water is promoted, and further, the oxidative corrosion of the conductive particles is prevented.

ここで、水電解触媒とは、当該水電解触媒と共に燃料極内に含有される電極触媒と比較して、水の電気分解に対する触媒活性が高いものである。水の電気分解に対する触媒活性の高さは、水溶液中での水電気分解電流値で規定することができ、水電解触媒は水溶液中での電極電位の水電気分解電流値が電極触媒よりも大きいものである。   Here, the water electrocatalyst has high catalytic activity for electrolysis of water as compared with the electrode catalyst contained in the fuel electrode together with the water electrocatalyst. The degree of catalytic activity for water electrolysis can be defined by the water electrolysis current value in an aqueous solution, and the water electrocatalyst has a larger water electrolysis current value of electrode potential in the aqueous solution than the electrode catalyst. Is.

上述したように、電極触媒としては、通常、白金や白金合金が好適に用いられることから、水電解触媒は、通常、白金や白金合金よりも水の電気分解に対して触媒活性が大きいものが用いられる。このような水電解触媒としては、例えば、RuO、IrO、Pt、TiO、及びこれら2種以上を含む固溶体や合金等が挙げられる。中でも、水分解活性、電気化学的安定性の観点から、RuO、IrO、RuO−IrOの固溶体及びRu−Ir合金が好ましく用いられる。
水電解触媒は、反応表面積及び安定性の観点から、一次粒径が0.1〜10nm程度であることが好ましい。
As described above, since platinum and platinum alloys are preferably used as the electrode catalyst, water electrocatalysts usually have higher catalytic activity for water electrolysis than platinum or platinum alloys. Used. Examples of such a water electrolysis catalyst include RuO 2 , IrO 2 , Pt, TiO 2 , and solid solutions and alloys containing two or more of these. Among these, from the viewpoint of water splitting activity and electrochemical stability, a solid solution of RuO 2 , IrO 2 , RuO 2 —IrO 2 and a Ru—Ir alloy are preferably used.
The water electrocatalyst preferably has a primary particle size of about 0.1 to 10 nm from the viewpoint of reaction surface area and stability.

また、水電解触媒のカーボンナノチューブ内への内包量は、特に限定されないが、カーボンナノチューブに対する重量比で、1〜50%、特に20〜50%程度とすることが好ましい。カーボンナノチューブの使用量は、燃料極単位面積当たり0.01〜10mg/cm、特に0.2〜5mg/cmとすることが好ましい。すなわち、水電解触媒の使用量は、燃料極単位面積当たり0.0001〜5mg/cm、特に0.04〜2.5mg/cmとすることが好ましい。 Moreover, the amount of the water electrocatalyst encapsulated in the carbon nanotube is not particularly limited, but it is preferably about 1 to 50%, particularly about 20 to 50% by weight ratio with respect to the carbon nanotube. The amount of carbon nanotubes, the fuel electrode per unit area 0.01 to 10 mg / cm 2, particularly preferably a 0.2~5mg / cm 2. That is, the amount of water electrolysis catalyst, the fuel electrode per unit area 0.0001~5mg / cm 2, particularly preferably a 0.04~2.5mg / cm 2.

水電解触媒を内包するカーボンナノチューブは、チューブ径やチューブ長さ等に特に制限はないが、内包する水電解触媒の粒径や水電解触媒の内包量等の点から、チューブ内径が5〜300nm、特に5〜100nm、さらには、10〜50nmであることが好ましく、チューブ長さが0.01〜1μm、特に0.01〜0.5μmであることが好ましい。また、カーボンナノチューブの比表面積は20〜1000cm/gであることが好ましく、電極触媒を担持する炭素粒子よりも比表面積が大きいことが望ましい。
カーボンナノチューブの構造は、一枚のグラフェンシートを丸めた単層カーボンナノチューブであってもよいし、複数のグラフェンシートが入れ子状に積層された多層カーボンナノチューブであってもよい。
The carbon nanotubes encapsulating the water electrocatalyst are not particularly limited in tube diameter, tube length, etc., but the tube inner diameter is 5 to 300 nm in terms of the particle diameter of the encapsulated water electrocatalyst and the amount of encapsulated water electrocatalyst. In particular, it is preferably 5 to 100 nm, more preferably 10 to 50 nm, and the tube length is preferably 0.01 to 1 μm, particularly preferably 0.01 to 0.5 μm. The specific surface area of the carbon nanotubes is preferably 20 to 1000 cm 2 / g, and it is desirable that the specific surface area be larger than the carbon particles supporting the electrode catalyst.
The structure of the carbon nanotube may be a single-walled carbon nanotube obtained by rolling a single graphene sheet, or may be a multi-walled carbon nanotube in which a plurality of graphene sheets are stacked in a nested manner.

カーボンナノチューブの中空内に水電解触媒を内包させる方法としては、例えば、水電解触媒とカーボンナノチューブを真空下で400〜500℃で1〜48時間熱処理する方法等が挙げられる。   Examples of the method of encapsulating the water electrocatalyst in the hollow of the carbon nanotube include a method of heat treating the water electrocatalyst and the carbon nanotube at 400 to 500 ° C. for 1 to 48 hours under vacuum.

水電解触媒を内包したカーボンナノチューブ(以下、水電解触媒内包カーボンナノチューブということがある)は、燃料極内であれば、含有させる位置は特に限定されず、触媒層内でも、ガス拡散層内でも、触媒層とガス拡散層との界面でも、燃料極全域でもよいが、電極触媒を担持する導電性粒子よりもカーボンナノチューブが優先的に酸化腐食されるよう、電解質膜との境界面に配置することが好ましい。電解質膜に近い位置にカーボンナノチューブを配置すると、カーボンナノチューブと酸化剤極との距離が近くなる。その結果、カーボンナノチューブの分解により生じるプロトン(H)が酸化剤極側へ移動しやすくなるため、カーボンナノチューブの分解反応が進行しやすくなり、カーボンナノチューブが優先的に酸化腐食されやすくなる。
電解質膜と燃料極の境界面に水電解触媒内包カーボンナノチューブを配置する形態としては、電解質膜と接する触媒層内に水電解触媒内包カーボンナノチューブを混在させる形態でもよいが、該境界面に水電解触媒内包カーボンナノチューブを集中的に配置できることから、図1や図2のように、電解質膜と燃料極の界面に水電解触媒を内包したカーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ層を設けることが好ましい。
The carbon nanotube encapsulating the water electrocatalyst (hereinafter sometimes referred to as the water electrocatalyst encapsulating carbon nanotube) is not particularly limited as long as it is within the fuel electrode, and may be contained within the catalyst layer or the gas diffusion layer. The carbon nanotube may be disposed at the interface with the electrolyte membrane so that the carbon nanotube is preferentially oxidized and corroded over the conductive particles supporting the electrode catalyst, although it may be at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer or the entire fuel electrode. It is preferable. When the carbon nanotube is disposed at a position close to the electrolyte membrane, the distance between the carbon nanotube and the oxidizer electrode is reduced. As a result, protons (H + ) generated by the decomposition of the carbon nanotubes easily move to the oxidant electrode side, so that the decomposition reaction of the carbon nanotubes easily proceeds and the carbon nanotubes are preferentially oxidized and corroded.
As a form of disposing the water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes at the interface between the electrolyte membrane and the fuel electrode, a form in which the water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes are mixed in the catalyst layer in contact with the electrolyte membrane may be used. Since the catalyst-encapsulated carbon nanotubes can be arranged in a concentrated manner, it is preferable to provide a carbon nanotube layer containing carbon nanotubes enclosing a water electrocatalyst at the interface between the electrolyte membrane and the fuel electrode, as shown in FIGS.

カーボンナノチューブ層は、水電解触媒を内包したカーボンナノチューブのみからなるものでもよいし、或いは、水電解触媒を内包したカーボンナノチューブの他、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水材料や電解質樹脂等を含有するものであってもよい。
カーボンナノチューブ層は、通常、燃料電池の発電特性確保の観点から、0.1〜1μm程度の膜厚とすることが好ましい。
The carbon nanotube layer may be composed of only carbon nanotubes enclosing a water electrocatalyst, or water repellent such as polytetrafluoroethylene (PTFE) as necessary in addition to carbon nanotubes encapsulating a water electrocatalyst. It may contain a material, an electrolyte resin, or the like.
In general, the carbon nanotube layer preferably has a thickness of about 0.1 to 1 μm from the viewpoint of securing the power generation characteristics of the fuel cell.

カーボンナノチューブ層の形成方法は、特に限定されない。水電解触媒を内包したカーボンナノチューブのみからなるカーボンナノチューブ層を形成する方法としては、例えば、アルコール類に水電解触媒を内包したカーボンナノチューブを溶解又は分散させたインクを、インクジェット法、スプレー法、ドクターブレード法等で電解質膜へ塗布する方法が挙げられる。   The method for forming the carbon nanotube layer is not particularly limited. Examples of a method for forming a carbon nanotube layer composed only of carbon nanotubes enclosing a water electrocatalyst include, for example, an ink in which carbon nanotubes encapsulating a water electrocatalyst in alcohols are dissolved or dispersed in an ink jet method, a spray method, a doctor The method of apply | coating to an electrolyte membrane by the blade method etc. is mentioned.

また、水電解触媒を内包したカーボンナノチューブと、撥水材料及び/又は電解質樹脂とを含有するカーボンナノチューブ層を形成する方法としては、例えば、アルコール類等の適当な溶媒中に、水電解触媒を内包したカーボンナノチューブと、撥水材料及び/又は電解質樹脂とを溶解又は分散させたインクを、インクジェット法、スプレー法、ドクターブレード法等で電解質膜へ塗布する方法が挙げられる。   In addition, as a method of forming a carbon nanotube layer containing a carbon nanotube encapsulating a water electrocatalyst and a water repellent material and / or an electrolyte resin, for example, the water electrocatalyst is placed in a suitable solvent such as alcohols. Examples thereof include a method in which an ink in which the encapsulated carbon nanotubes and the water repellent material and / or the electrolyte resin are dissolved or dispersed is applied to the electrolyte membrane by an inkjet method, a spray method, a doctor blade method, or the like.

水電解触媒を内包したカーボンナノチューブを触媒層内に含有させる場合には、電極触媒を担持した導電性粒子を含む触媒インク中に、水電解触媒内包カーボンナノチューブを混合し、得られる水電解触媒含有触媒インクを用いて、一般的な方法に準じて触媒層を形成すればよい。
触媒層は、電極触媒を担持した導電性粒子の他、通常、電解質樹脂が含有され、電極触媒を担持した導電性粒子と電解質樹脂とを溶媒に溶解、分散させた触媒インクを用いて形成される。電解質樹脂としては、特に限定されず、固体高分子型燃料電池において、一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系電解質樹脂の他、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン等の炭化水素系樹脂に、スルホン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、水酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入した炭化水素系電解質樹脂を用いることができる。
When carbon nanotubes containing water electrocatalysts are contained in the catalyst layer, the water electrocatalyst encapsulating carbon nanotubes are mixed in the catalyst ink containing the conductive particles carrying the electrode catalyst, and the resulting water electrocatalyst containing A catalyst layer may be formed using a catalyst ink according to a general method.
In addition to the conductive particles carrying the electrode catalyst, the catalyst layer is usually formed using a catalyst ink that contains an electrolyte resin and in which the conductive particles carrying the electrode catalyst and the electrolyte resin are dissolved and dispersed in a solvent. The The electrolyte resin is not particularly limited, and those commonly used in polymer electrolyte fuel cells can be used. For example, hydrocarbons such as polyethersulfone, polyimide, polyetherketone, polyetheretherketone, polyphenylene as well as fluorine-based electrolyte resins such as perfluorocarbonsulfonic acid resin represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont) A hydrocarbon electrolyte resin into which an ion exchange group such as a sulfonic acid group, a boronic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, or a carboxylic acid group is introduced can be used.

水電解触媒内包カーボンナノチューブを含有する触媒インク(水電解触媒含有触媒インク)は、電極触媒を担持した導電性粒子と、電解質樹脂と、水電解触媒内包カーボンナノチューブとを溶媒中に混合攪拌して得ることができる。溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等のアルコール類や、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド等、或いは、これらの混合物や水との混合物を用いることができるが、これに限定されない。中でも、カーボンナノチューブの分散性の観点から、エタノール、プロピレングリコールが好ましく用いられる。   Catalyst ink containing water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes (water electrocatalyst-containing catalyst ink) is obtained by mixing and stirring conductive particles carrying an electrode catalyst, an electrolyte resin, and water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes in a solvent. Obtainable. Examples of the solvent include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, propylene glycol, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, and the like. These mixtures and mixtures with water can be used, but are not limited thereto. Among these, ethanol and propylene glycol are preferably used from the viewpoint of dispersibility of the carbon nanotubes.

水電解触媒含有触媒インクは、通常の触媒インク(水電解触媒内包カーボンナノチューブを含有しない触媒インク)と同様に、電解質膜や、ガス拡散層用のガス拡散層シート、転写フィルムの基材フィルム等の支持体に塗布、乾燥することで触媒層を形成することができる。すなわち、触媒インクを、電解質膜に直接塗布、乾燥することによって、或いは、ガス拡散層シートに直接塗布、乾燥することによって、或いは、基材フィルム上に塗布して転写フィルムを形成し、電解質膜又はガス拡散層シートに熱転写することによって、触媒層を形成することができる。転写フィルムの基材フィルムとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリプロピレン等が挙げられる。   The water-electrocatalyst-containing catalyst ink is an electrolyte membrane, a gas diffusion layer sheet for a gas diffusion layer, a base film for a transfer film, etc. The catalyst layer can be formed by coating and drying the support. That is, the catalyst ink is applied directly to the electrolyte membrane and dried, or directly applied to the gas diffusion layer sheet and dried, or is applied onto the substrate film to form a transfer film, and the electrolyte membrane Alternatively, the catalyst layer can be formed by thermal transfer to a gas diffusion layer sheet. Examples of the base film for the transfer film include polytetrafluoroethylene (PTFE) and polypropylene.

電解質膜上に触媒インク(水電解触媒含有触媒インク)を塗布・乾燥して触媒層を形成する場合には、当該触媒層を形成した電解質膜とガス拡散層シートとを、触媒層を挟むように重ね合わせ、ホットプレス等で接合することによって、膜・電極接合体を形成することができる。また、ガス拡散層シートに触媒インクを塗布、乾燥して触媒層を形成する場合には、当該触媒層を形成したガス拡散層シートと電解質膜とを、触媒層を挟むように重ね合わせ、ホットプレス等で接合することによって膜・電極接合体を形成することができる。また、触媒インクを用いて転写フィルムを形成した場合、電解質膜又はガス拡散層シートに触媒層を転写し、当該触媒層を挟むように、ガス拡散層と電解質膜とを重ね合わせ、接合することによって膜・電極接合体を形成することができる。   When forming a catalyst layer by applying and drying a catalyst ink (catalyst ink containing a water electrolysis catalyst) on the electrolyte membrane, the catalyst layer is sandwiched between the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed and the gas diffusion layer sheet. The membrane / electrode assembly can be formed by superimposing and bonding by hot pressing or the like. When a catalyst ink is applied to a gas diffusion layer sheet and dried to form a catalyst layer, the gas diffusion layer sheet on which the catalyst layer is formed and the electrolyte membrane are stacked so as to sandwich the catalyst layer, and hot A membrane / electrode assembly can be formed by bonding with a press or the like. In addition, when a transfer film is formed using a catalyst ink, the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer sheet, and the gas diffusion layer and the electrolyte membrane are overlapped and bonded so as to sandwich the catalyst layer. By this, a membrane / electrode assembly can be formed.

触媒インク(水電解触媒含有触媒インク)の塗布方法は、特に限定されず、インクジェット法やスプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等、一般的な方法を用いることができる。得られる触媒層の厚みや構造、塗布量の自由度等の観点からは、スプレー法が好適である。また、触媒インクの乾燥方法は特に限定されず、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥と加熱乾燥の併用等が挙げられる。通常、120℃、真空、24時間の条件で乾燥することが好ましい。
触媒層の膜厚は、特に限定はされないが、乾燥状態において、1〜100μm程度とすればよい。触媒層は、上記触媒金属を担持させた導電性粒子、高分子電解質、水電解触媒内包カーボンナノチューブの他、必要に応じて撥水性高分子や結着剤等のその他の材料を含んでいてもよい。
The application method of the catalyst ink (catalyst ink containing water electrocatalyst) is not particularly limited, and general methods such as an ink jet method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method can be used. From the viewpoint of the thickness and structure of the resulting catalyst layer, the degree of freedom of the coating amount, and the like, the spray method is suitable. The drying method of the catalyst ink is not particularly limited, and examples thereof include reduced pressure drying, heat drying, combined use of reduced pressure drying and heat drying. Usually, it is preferable to dry under the conditions of 120 ° C., vacuum and 24 hours.
Although the film thickness of a catalyst layer is not specifically limited, What is necessary is just to be about 1-100 micrometers in a dry state. The catalyst layer may contain other materials such as a water-repellent polymer and a binder as necessary in addition to the conductive particles supporting the catalyst metal, the polymer electrolyte, and the water-electrocatalyst-encapsulating carbon nanotubes. Good.

触媒層に水電解触媒内包カーボンナノチューブを含有させない場合や、酸化剤極の触媒層は、上記水電解触媒含有触媒インクの代わりに、水電解触媒内包カーボンナノチューブを含有していない触媒インクを用いて、上記と同様にして触媒層を形成することができる。   When the catalyst layer does not contain water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes, or the catalyst layer of the oxidizer electrode, instead of the water electrocatalyst-containing catalyst ink, a catalyst ink that does not contain water electrocatalyst encapsulated carbon nanotubes is used. The catalyst layer can be formed in the same manner as described above.

ガス拡散層は、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。導電性多孔質体の厚さは、50〜300μm程度であることが好ましい。   The gas diffusion layer has gas diffusibility, conductivity, and strength required as a material constituting the gas diffusion layer, for example, carbon paper, carbon cloth, carbon, which can efficiently supply gas to the catalyst layer. Carbonaceous porous body such as felt, titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloy, zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium, tantalum, iron, stainless steel, gold Further, it can be formed using a gas diffusion layer sheet made of a conductive porous material such as a metal mesh composed of a metal such as platinum or a metal porous material. The thickness of the conductive porous body is preferably about 50 to 300 μm.

ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。   The gas diffusion layer sheet may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not necessarily required, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.

撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。撥水層インクを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。   The method for forming the water repellent layer on the conductive porous body is not particularly limited. For example, water repellent obtained by mixing conductive particles such as carbon particles, water repellent resin, and other components as necessary with an organic solvent such as ethanol, propanol, propylene glycol, water or a mixture thereof. The layer ink may be applied to at least the side facing the catalyst layer of the conductive porous body, and then dried and / or fired. Examples of the method for applying the water repellent layer ink to the conductive porous body include a screen printing method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method.

また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工してもよい。   In addition, the conductive porous body is formed by impregnating and applying a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene to the side facing the catalyst layer with a bar coater or the like, so that the moisture in the catalyst layer is efficiently removed from the gas diffusion layer. You may process so that it may be discharged well.

ガス拡散層に水電解触媒内包カーボンナノチューブを含有させる方法としては、上記導電性多孔質体を、水電解触媒内包カーボンナノチューブをエタノール、プロピレングリコール等の溶媒に分散させた水電解触媒内包カーボンナノチューブ溶液中に含浸させる方法や導電性多孔質体に水電解触媒内包カーボンナノチューブ溶液を塗布する方法等が挙げられる。また、撥水層インク中に、水電解触媒内包カーボンナノチューブを含有させたり、上記撥水性樹脂と共に水電解触媒内包カーボンナノチューブを導電性多孔質体に含浸塗布する方法が挙げられる。   Water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotube solution in which water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes are dispersed in a solvent such as ethanol or propylene glycol is used as a method of incorporating water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes in the gas diffusion layer. Examples thereof include a method of impregnating the inside and a method of applying a water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotube solution to a conductive porous body. Moreover, the water-repellent layer ink may contain water electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes, or a method of impregnating and applying the water-electrocatalyst-encapsulated carbon nanotubes to the conductive porous body together with the water-repellent resin.

電解質膜としては、一般的な燃料電池に用いられているものを使用することができ、例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系電解質樹脂膜や、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン等の炭化水素系樹脂に、スルホン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、水酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入した炭化水素系高分子電解質膜等の電解質樹脂膜、ポリベンゾイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合電解質膜等が挙げられる。電解質膜の膜厚は特に限定されないが、通常、10〜100μm程度でよい。   As the electrolyte membrane, those used in general fuel cells can be used. For example, Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), Aciplex (trade name) (Manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) and other fluorinated electrolyte resin membranes represented by perfluorocarbon sulfonic acid resins, and hydrocarbon resins such as polyethersulfone, polyimide, polyetherketone, polyetheretherketone and polyphenylene , Boronic acid groups, phosphonic acid groups, hydroxyl group, carboxylic acid group introduced hydrocarbon resin electrolyte membranes such as polymer electrolyte membranes, polybenzimidazole, polypyrimidine, polybenzoxazole, etc. Examples include a composite electrolyte membrane of a basic polymer in which a molecule is doped with a strong acid and a strong acid. Although the thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, it is usually about 10 to 100 μm.

電解質膜に一対の電極を設けた膜・電極接合体は、さらにセパレータで挟持されて単セルを形成する。セパレータとしては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。   The membrane / electrode assembly provided with a pair of electrodes on the electrolyte membrane is further sandwiched between separators to form a single cell. As the separator, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with a resin, a metal separator using a metal material, or the like can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. .

[参考実験例1]
(単セル1の作製)
白金をカーボンブラックに担持させたPt/C触媒(Pt担持率30wt%。電極触媒)と、フッ素系電解質樹脂(商品名Nafion、Aldrich社製)と、IrOをカーボンブラックに担持させたIrO/C触媒(IrO担持率45wt%。水電解触媒)とを、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック(Pt/C触媒分)重量比が1.0、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック(IrO/C触媒分)重量比が1.0となるように混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、アノード用水電解触媒含有触媒インクを調製した。
アノード用水電解触媒含有触媒インクを、ガス拡散層となるカーボンペーパー表面に塗布、乾燥し、水電解触媒含有触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)を作製した。
[Reference Experimental Example 1]
(Production of single cell 1)
Platinum Pt / C catalyst supported on carbon black (Pt loading of 30 wt%. Electrocatalyst) and fluorine-based electrolyte resin (trade name Nafion, Aldrich Co.) and, IrO 2, which was supported IrO 2 carbon black / C catalyst (IrO 2 loading rate 45 wt%, water electrocatalyst), fluorine electrolyte resin / carbon black (Pt / C catalyst component) weight ratio is 1.0, fluorine electrolyte resin / carbon black (IrO 2 / C catalyst component) Mixing was performed so that the weight ratio was 1.0, and ethanol and water were further added as solvents to prepare a catalyst ink containing a water electrocatalyst for an anode.
The water electrocatalyst-containing catalyst ink for anode was applied to the surface of carbon paper to be a gas diffusion layer and dried to produce a water electrocatalyst catalyst-containing catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for anode).

一方、白金をカーボンブラックに担持させたPt/C触媒(Pt担持率30wt%。電極触媒)と、フッ素系電解質樹脂(商品名Nafion、Aldrich社製)とを、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック重量比が1.0となるように混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、カソード用触媒インクを調製した。
カソード用触媒インクをガス拡散層となるカーボンペーパー表面に塗布、乾燥し、触媒層・ガス拡散層接合体(カソード用)を作製した。
On the other hand, a Pt / C catalyst in which platinum is supported on carbon black (Pt support rate: 30 wt%, electrode catalyst) and a fluorine-based electrolyte resin (trade name: Nafion, manufactured by Aldrich), fluorine-based electrolyte resin / carbon black weight The mixture was mixed so that the ratio was 1.0, and ethanol and water were further added as solvents to prepare a catalyst ink for cathode.
Cathode catalyst ink was applied to the surface of carbon paper to be a gas diffusion layer and dried to prepare a catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for cathode).

得られた水電解触媒含有触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)及び触媒層・ガス拡散層接合体(カソード用)で、フッ素系高分子電解質膜を挟み込み、熱圧着(プレス圧3MPa、プレス温度140℃)し、膜・電極接合体を得た。さらに、この膜・電極接合体を2枚のカーボン製セパレータで挟んで単セル1を作製した。   The water-based electrocatalyst-containing catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for anode) and catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for cathode) are sandwiched with a fluorine-based polymer electrolyte membrane, and thermocompression bonding (press pressure 3 MPa, The pressing temperature was 140 ° C.) to obtain a membrane / electrode assembly. Further, this cell-electrode assembly was sandwiched between two carbon separators to produce a single cell 1.

(単セル2の作製)
白金をカーボンブラックに担持させたPt/C触媒(Pt担持率30wt%。電極触媒)と、フッ素系電解質樹脂(商品名Nafion、Aldrich社製)と、カーボンナノチューブ(IrO担持せず)とを、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック(Pt/C触媒分)重量比が1.0、フッ素系電解質樹脂/カーボンナノチューブ重量比が1.0となるように混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、カーボンナノチューブ含有アノード用触媒インクを調製した。
カーボンナノチューブ含有アノード用触媒インクを、ガス拡散層となるカーボンペーパー表面に塗布、乾燥し、カーボンナノチューブ含有触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)を作製した。
(Production of single cell 2)
Pt / C catalyst in which platinum is supported on carbon black (Pt supporting rate 30 wt%, electrode catalyst), fluorine-based electrolyte resin (trade name Nafion, manufactured by Aldrich), and carbon nanotubes (not supporting IrO 2 ) , Fluorine electrolyte resin / carbon black (Pt / C catalyst content) Weight ratio is 1.0, Fluorine electrolyte resin / carbon nanotube weight ratio is 1.0, and ethanol and water are added as solvent Thus, a carbon nanotube-containing anode catalyst ink was prepared.
The carbon nanotube-containing anode catalyst ink was applied to the surface of carbon paper to be a gas diffusion layer and dried to prepare a carbon nanotube-containing catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for anode).

得られたカーボンナノチューブ含有触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)及び上記単セル1と同様にして作製した触媒層・ガス拡散層接合体(カソード用)で、フッ素系高分子電解質膜を挟み込み、熱圧着(プレス圧3MPa、プレス温度140℃)し、膜・電極接合体を得た。さらに、この膜・電極接合体を2枚のカーボン製セパレータで挟んで単セル2を作製した。   Using the obtained carbon nanotube-containing catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for anode) and the catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for cathode) produced in the same manner as in the single cell 1, a fluorine-based polymer electrolyte membrane was prepared. The membrane / electrode assembly was obtained by sandwiching and thermocompression bonding (pressing pressure 3 MPa, pressing temperature 140 ° C.). Further, this membrane / electrode assembly was sandwiched between two carbon separators to produce a single cell 2.

(発電性能の評価)
単セル1及び単セル2について、下記条件下、I−V特性を測定した。結果を図5に示す。
(Evaluation of power generation performance)
About the single cell 1 and the single cell 2, the IV characteristic was measured on condition of the following. The results are shown in FIG.

<I−V特性測定条件>
・燃料極:水素ガス500cm/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
・酸化剤極:空気1000cm/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
・セル温度:80℃
<IV characteristics measurement conditions>
・ Fuel electrode: hydrogen gas 500 cm 3 / min (1 atm, 25 ° C. constant condition, humidity 100% RH)
・ Oxidizer electrode: Air 1000 cm 3 / min (1 atm, 25 ° C. constant condition, humidity 100% RH)
-Cell temperature: 80 ° C

図5に示すように、水電解触媒を含有するアノード側触媒層を備える単セル1と比較して、カーボンナノチューブを含有するアノード側触媒層を備える単セル2は、I−V特性が優れていた。これは、カーボンナノチューブより水電解触媒の方が水との親和性が高いため、単セル1の水電解触媒を含有するアノード触媒層では水が滞留しやすく、ガス拡散性が低下したためと考えられる。   As shown in FIG. 5, the single cell 2 provided with the anode catalyst layer containing carbon nanotubes has superior IV characteristics compared to the single cell 1 provided with the anode catalyst layer containing the water electrocatalyst. It was. This is probably because the water electrocatalyst has a higher affinity with water than the carbon nanotubes, so that water tends to stay in the anode catalyst layer containing the water electrocatalyst of the single cell 1 and the gas diffusibility is lowered. .

[参考実験例2]
(単セル3の作製)
白金をカーボンブラックに担持させたPt/C触媒(Pt担持率30wt%。電極触媒)と、フッ素系電解質樹脂(商品名Nafion、Aldrich社製)と、RuOをカーボンブラックに担持させたRuO/C触媒(RuO担持率45wt%。水電解触媒)とを、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック(Pt/C触媒分)重量比が1.0、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック(RuO/C触媒分)重量比が1.0となるように混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、アノード用水電解触媒含有触媒インクを調製した。
上記アノード用水電解含有触媒インクをガス拡散層となるカーボンペーパー表面に塗布、乾燥し、水電解触媒含有触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)を作製した。
[Reference Experiment Example 2]
(Production of single cell 3)
Platinum Pt / C catalyst supported on carbon black (Pt loading of 30 wt%. Electrocatalyst), a fluorine-based electrolyte resin (trade name Nafion, Aldrich Co.), RuO 2 which was supported RuO 2 to the carbon black / C catalyst (RuO 2 loading ratio 45 wt%, water electrocatalyst), fluorine electrolyte resin / carbon black (Pt / C catalyst component) weight ratio is 1.0, fluorine electrolyte resin / carbon black (RuO 2 / C catalyst component) Mixing was performed so that the weight ratio was 1.0, and ethanol and water were further added as solvents to prepare a catalyst ink containing a water electrocatalyst for an anode.
The anode water electrolysis-containing catalyst ink was applied to a carbon paper surface to be a gas diffusion layer and dried to prepare a water electrolysis catalyst-containing catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for anode).

一方、白金をカーボンブラックに担持させたPt/C触媒(Pt担持率30wt%。電極触媒)と、フッ素系電解質樹脂(商品名Nafion、Aldrich社製)とを、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック重量比が1.0となるように混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、カソード用触媒インクを調製した。
カソード用触媒インクをガス拡散層となるカーボンペーパー表面に塗布、乾燥し、触媒層・ガス拡散層接合体(カソード用)を作製した。
On the other hand, a Pt / C catalyst in which platinum is supported on carbon black (Pt support rate: 30 wt%, electrode catalyst) and a fluorine-based electrolyte resin (trade name: Nafion, manufactured by Aldrich), fluorine-based electrolyte resin / carbon black weight The mixture was mixed so that the ratio was 1.0, and ethanol and water were further added as solvents to prepare a catalyst ink for cathode.
Cathode catalyst ink was applied to the surface of carbon paper to be a gas diffusion layer and dried to prepare a catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for cathode).

得られた水電解触媒含有触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)及び触媒層・ガス拡散層接合体(カソード用)で、フッ素系高分子電解質膜を挟み込み、熱圧着(プレス圧3MPa、プレス温度140℃)し、膜・電極接合体を得た。さらに、この膜・電極接合体を2枚のカーボン製セパレータで挟んで単セル3を作製した。   The water-based electrocatalyst-containing catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for anode) and catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for cathode) are sandwiched with a fluorine-based polymer electrolyte membrane, and thermocompression bonding (press pressure 3 MPa, The pressing temperature was 140 ° C.) to obtain a membrane / electrode assembly. Further, this cell-electrode assembly was sandwiched between two carbon separators to produce a single cell 3.

(単セル4の作製)
白金をカーボンブラックに担持させたPt/C触媒(Pt担持率30wt%。電極触媒)と、フッ素系電解質樹脂(商品名Nafion、Aldrich社製)とを、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック重量比が1.0となるように混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、アノード用触媒インクを調製した。
一方、フッ素系電解質樹脂(商品名Nafion、Aldrich社製)と、RuOをカーボンブラックに担持させたRuO/C触媒(RuO担持率45wt%。水電解触媒)とを、フッ素系電解質樹脂/カーボンブラック重量比が1.0となるように混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、アノード用水電解触媒インクを調製した。
上記アノード用触媒インクをガス拡散層となるカーボンペーパー表面に塗布、乾燥して触媒層を形成した。さらに、この触媒層上にアノード用水電解触媒インクを塗布、乾燥し、水電解触媒層・触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)を作製した。
(Production of single cell 4)
A platinum-supported Pt / C catalyst (Pt support ratio 30 wt%, electrode catalyst) and a fluorine-based electrolyte resin (trade name: Nafion, manufactured by Aldrich) have a weight ratio of fluorine-based electrolyte resin / carbon black. The mixture was mixed to 1.0, and ethanol and water were further added as solvents to prepare an anode catalyst ink.
On the other hand, a fluorine-based electrolyte resin (trade name Nafion, Aldrich Co.) and an RuO 2 / C catalyst was supported RuO 2 carbon black (RuO 2 supported ratio 45 wt%. Water electrolysis catalyst), a fluorine-based electrolyte resin / Carbon black was mixed so that the weight ratio was 1.0, and ethanol and water were further added as solvents to prepare a water electrocatalyst ink for anode.
The anode catalyst ink was applied to the surface of carbon paper to be a gas diffusion layer and dried to form a catalyst layer. Further, a water electrocatalyst ink for anode was applied on this catalyst layer and dried to prepare a joined body of water electrocatalyst layer / catalyst layer / gas diffusion layer (for anode).

次に、水電解触媒層・触媒層・ガス拡散層接合体(アノード用)と、単セル3と同様にして作製した触媒層・ガス拡散層接合体(カソード用)とで、フッ素系高分子電解質膜を挟み込み、熱圧着(プレス圧3MPa、プレス温度140℃)し、膜・電極接合体を得た。さらに、この膜・電極接合体を2枚のカーボン製セパレータで挟んで単セル4を作製した。   Next, a fluorine-based polymer comprising a water electrocatalyst layer / catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for anode) and a catalyst layer / gas diffusion layer assembly (for cathode) prepared in the same manner as single cell 3 The electrolyte membrane was sandwiched and thermocompression bonded (pressing pressure 3 MPa, pressing temperature 140 ° C.) to obtain a membrane / electrode assembly. Further, this membrane / electrode assembly was sandwiched between two carbon separators to produce a single cell 4.

(発電性能の評価)
単セル3及び単セル4について、下記のような燃料欠状態で運転し、セル電圧の時間変化を測定した。結果を図6に示す。
(Evaluation of power generation performance)
About the single cell 3 and the single cell 4, it drive | operated in the following fuel shortage conditions, and the time change of the cell voltage was measured. The results are shown in FIG.

<燃料欠状態>
・燃料極:窒素ガス[272sccm(25℃基準)、加湿温度80℃、ガス圧力0.2MPa]
・酸化剤極:空気[866sccm(25℃基準)、加湿温度80℃、ガス圧力0.2MPa]
・セル温度:80℃
・電流密度:0.1A/cm
<Fuel outage>
Fuel electrode: Nitrogen gas [272 sccm (25 ° C. standard), humidification temperature 80 ° C., gas pressure 0.2 MPa]
・ Oxidizer electrode: Air [866 sccm (25 ° C. standard), humidification temperature 80 ° C., gas pressure 0.2 MPa]
-Cell temperature: 80 ° C
・ Current density: 0.1 A / cm 2

図6に示すように、水電解触媒を含有するアノード側触媒層を備える単セル3と比較して、アノード側触媒層と電解質膜との界面に水電解触媒を含有する水電解触媒層を備える単セル4は、燃料欠状態運転時のセル電圧が高かった。   As shown in FIG. 6, compared with the single cell 3 having an anode side catalyst layer containing a water electrocatalyst, a water electrocatalyst layer containing a water electrocatalyst is provided at the interface between the anode side catalyst layer and the electrolyte membrane. The single cell 4 had a high cell voltage during fuel shortage operation.

参考実験例1及び参考実験例2の結果から、通常運転時は、水電解触媒を露出させた状態でアノード側触媒中に含有させるよりも、水電解触媒をカーボンナノチューブ内に内包させた状態でアノード側触媒中に含有させる方が発電特性の低下が少ないと考えられる。また、燃料欠(水素欠)状態の運転時において、カーボンナノチューブが犠牲的に腐食することによって放出される水電解触媒は、アノード側触媒層内よりも、電解質膜とアノード側触媒層の界面に配置させる方が高いセル電圧が得られると考えられる。すなわち、水電解触媒層は、カーボンナノチューブに内包させた状態でアノード電極に含有されることが好ましく、特に、電解質膜とアノード側電極(アノード側触媒層)との界面に配置されることが好ましいと推測される。   From the results of Reference Experimental Example 1 and Reference Experimental Example 2, during normal operation, the water electrocatalyst was contained in the carbon nanotubes rather than being contained in the anode side catalyst with the water electrocatalyst exposed. It is considered that the power generation characteristics are less deteriorated when contained in the anode side catalyst. In addition, the water electrocatalyst released by sacrificial corrosion of the carbon nanotubes during the fuel-deficient (hydrogen-deficient) operation is more at the interface between the electrolyte membrane and the anode-side catalyst layer than in the anode-side catalyst layer. It is considered that a higher cell voltage can be obtained by arranging them. That is, the water electrocatalyst layer is preferably contained in the anode electrode in a state of being encapsulated in carbon nanotubes, and particularly preferably disposed at the interface between the electrolyte membrane and the anode side electrode (anode side catalyst layer). It is guessed.

本発明の燃料電池用膜電極接合体を備えるセルの一形態例を示す図である。It is a figure which shows one example of a cell provided with the membrane electrode assembly for fuel cells of this invention. 図1の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 水電解触媒を内包するカーボンナノチューブの模式図である。It is a schematic diagram of the carbon nanotube which encloses a water electrolysis catalyst. 本発明の燃料電池用膜電極接合体を備えるセルの一形態例を示す図である。It is a figure which shows one example of a cell provided with the membrane electrode assembly for fuel cells of this invention. 参考実験例1の結果を示すグラフである。6 is a graph showing the results of Reference Experimental Example 1. 参考実験例2の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of Reference Experimental Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…触媒層(2a:燃料極側触媒層、2b:酸化剤極側触媒層)
3…ガス拡散層(3a:燃料極側ガス拡散層、3b:酸化剤極側ガス拡散層)
4…電極(4a:燃料極、4b:酸化剤極)
5…膜・電極接合体
6…セパレータ(6a:燃料極側セパレータ、6b:酸化剤極側セパレータ)
7(7a、7b)…ガス流路
8…カーボンナノチューブ層
9…カーボンナノチューブ
10…水電解触媒
11…電極触媒
12…導電性粒子
100…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Catalyst layer (2a: Fuel electrode side catalyst layer, 2b: Oxidant electrode side catalyst layer)
3. Gas diffusion layer (3a: fuel electrode side gas diffusion layer, 3b: oxidant electrode side gas diffusion layer)
4 ... Electrode (4a: fuel electrode, 4b: oxidant electrode)
5 ... Membrane / electrode assembly 6 ... Separator (6a: fuel electrode side separator, 6b: oxidant electrode side separator)
7 (7a, 7b) ... gas flow path 8 ... carbon nanotube layer 9 ... carbon nanotube 10 ... water electrocatalyst 11 ... electrode catalyst 12 ... conductive particle 100 ... single cell

Claims (3)

電解質膜の一面側に燃料極、他面側に酸化剤極を備える燃料電池用膜電極接合体であって、前記燃料極が、水の電気分解に対して触媒活性を有する水電解触媒を内包したカーボンナノチューブと、電極触媒とを含有することを特徴とする、燃料電池用膜電極接合体。   A fuel cell membrane electrode assembly comprising a fuel electrode on one side of an electrolyte membrane and an oxidant electrode on the other side, wherein the fuel electrode contains a water electrolysis catalyst having catalytic activity for electrolysis of water. A membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising the carbon nanotube thus produced and an electrode catalyst. 前記燃料極は、前記電解質膜との境界面に、前記水電解触媒を内包したカーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ層を備える、請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体。   2. The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the fuel electrode includes a carbon nanotube layer containing a carbon nanotube including the water electrolysis catalyst at a boundary surface with the electrolyte membrane. 前記電極触媒が、前記カーボンナノチューブよりも耐酸化性の高い導電性粒子に担持されている、請求項1又は2に記載の燃料電池用膜電極接合体。   The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the electrode catalyst is supported on conductive particles having higher oxidation resistance than the carbon nanotube.
JP2006174547A 2006-06-23 2006-06-23 Membrane electrode assembly for fuel cell Pending JP2008004453A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006174547A JP2008004453A (en) 2006-06-23 2006-06-23 Membrane electrode assembly for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006174547A JP2008004453A (en) 2006-06-23 2006-06-23 Membrane electrode assembly for fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008004453A true JP2008004453A (en) 2008-01-10

Family

ID=39008664

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006174547A Pending JP2008004453A (en) 2006-06-23 2006-06-23 Membrane electrode assembly for fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008004453A (en)

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011040177A (en) * 2009-08-06 2011-02-24 Nissan Motor Co Ltd Anode catalyst layer for fuel cell
CN101635362B (en) * 2008-07-25 2012-03-28 清华大学 Membrane electrode and fuel cell adopting same
JP2013502682A (en) * 2009-08-20 2013-01-24 ジョンソン、マッセイ、パブリック、リミテッド、カンパニー Catalyst layer
KR101851939B1 (en) * 2015-12-09 2018-04-26 건국대학교 산학협력단 CATALYST FOR FEMFC HAVING DOUBLE LAYER STRUCTURE OF Pt-C/Pt-TiO2 AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE SAME
KR101900323B1 (en) * 2017-04-26 2018-09-19 건국대학교 산학협력단 Dual catalyst electrode comprising hydrophilic Pt-metal oxide having hollow structure and Pt-C, and membrane electrode assembly comprising the same
JP2019075277A (en) * 2017-10-16 2019-05-16 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell
JP2019515441A (en) * 2016-04-28 2019-06-06 コーロン インダストリーズ インク Fuel cell membrane-electrode assembly
JP2019155355A (en) * 2018-02-07 2019-09-19 株式会社豊田中央研究所 Oxygen evolution catalyst
WO2020059503A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using same
JP2020047430A (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
WO2020059501A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using same
JP2020047432A (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
JP2020077496A (en) * 2018-11-06 2020-05-21 トヨタ自動車株式会社 Membrane electrode assembly
JP2020087644A (en) * 2018-11-22 2020-06-04 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Anode catalyst for hydrogen deficiency resistant fuel cell
CN115064715A (en) * 2022-06-28 2022-09-16 浙江锋源氢能科技有限公司 Membrane electrode CCM (continuous current mode) and preparation method thereof, membrane electrode assembly MEA (membrane electrode assembly) and fuel cell

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101635362B (en) * 2008-07-25 2012-03-28 清华大学 Membrane electrode and fuel cell adopting same
JP2011040177A (en) * 2009-08-06 2011-02-24 Nissan Motor Co Ltd Anode catalyst layer for fuel cell
JP2013502682A (en) * 2009-08-20 2013-01-24 ジョンソン、マッセイ、パブリック、リミテッド、カンパニー Catalyst layer
KR101851939B1 (en) * 2015-12-09 2018-04-26 건국대학교 산학협력단 CATALYST FOR FEMFC HAVING DOUBLE LAYER STRUCTURE OF Pt-C/Pt-TiO2 AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE SAME
JP2019515441A (en) * 2016-04-28 2019-06-06 コーロン インダストリーズ インク Fuel cell membrane-electrode assembly
US11114684B2 (en) 2016-04-28 2021-09-07 Kolon Industries, Inc. Fuel cell membrane-electrode assembly
KR101900323B1 (en) * 2017-04-26 2018-09-19 건국대학교 산학협력단 Dual catalyst electrode comprising hydrophilic Pt-metal oxide having hollow structure and Pt-C, and membrane electrode assembly comprising the same
JP2019075277A (en) * 2017-10-16 2019-05-16 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell
JP2019155355A (en) * 2018-02-07 2019-09-19 株式会社豊田中央研究所 Oxygen evolution catalyst
JP2020047432A (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
CN112714972A (en) * 2018-09-18 2021-04-27 株式会社科特拉 Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using the same
WO2020059502A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using same
JP2020047430A (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
WO2020059504A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using same
JP2020047431A (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
JP2020047429A (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell arranged by use thereof
WO2020059503A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using same
WO2020059501A1 (en) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社キャタラー Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using same
CN112703622A (en) * 2018-09-18 2021-04-23 株式会社科特拉 Anode catalyst layer for fuel cell and fuel cell using the same
JP2020077496A (en) * 2018-11-06 2020-05-21 トヨタ自動車株式会社 Membrane electrode assembly
JP7115959B2 (en) 2018-11-06 2022-08-09 トヨタ自動車株式会社 Membrane electrode assembly
JP2020087644A (en) * 2018-11-22 2020-06-04 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Anode catalyst for hydrogen deficiency resistant fuel cell
JP7340831B2 (en) 2018-11-22 2023-09-08 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Anode catalyst for hydrogen starvation tolerant fuel cells
CN115064715A (en) * 2022-06-28 2022-09-16 浙江锋源氢能科技有限公司 Membrane electrode CCM (continuous current mode) and preparation method thereof, membrane electrode assembly MEA (membrane electrode assembly) and fuel cell
CN115064715B (en) * 2022-06-28 2023-10-27 浙江锋源氢能科技有限公司 Membrane electrode CCM and preparation method thereof, membrane electrode assembly MEA and fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2008004453A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell
KR100658688B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
EP3167502B1 (en) Cathode design for electrochemical cells
JP4772741B2 (en) Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell including the same, and fuel cell system including the same
JP4133654B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP4919005B2 (en) Method for producing electrode for fuel cell
JP5432443B2 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
JP4553861B2 (en) Fuel cell
JP5274035B2 (en) Fuel cell
KR20060104821A (en) Catalyst for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same
JP2006344428A (en) Solid polymer fuel cell
JP5040000B2 (en) Manufacturing method of membrane / electrode assembly
JP2005174835A (en) Electrode
JP2008034191A (en) Manufacturing method for membrane-electrode assembly for fuel cell, and inspection method of catalyst grain for fuel cell
JP2008269847A (en) Ink for fuel cell catalyst layer, its manufacturing method, and membrane electrode assembly for fuel cell
JP5298303B2 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
JP2009218122A (en) Membrane-electrode assembly for direct alcohol type fuel cell, and direct alcohol type fuel cell having the membrane-electrode assembly
JP5672645B2 (en) Electrocatalyst ink for fuel cell
JP2007335268A (en) Fuel cell system and operation method of fuel cell
JP4529345B2 (en) Method for producing polymer electrolyte fuel cell
JP2008004402A (en) Anode for direct methanol fuel cell, and direct methanol fuel cell using it
JP2006339125A (en) Solid polymer fuel cell
KR20070099935A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
JP5439947B2 (en) Membrane electrode assembly, transfer substrate for production of membrane electrode assembly, coating transfer substrate for electrode catalyst layer for production of membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2005141920A (en) Catalyst carrying electrode