JP2008034197A - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer electrolyte fuel cell improved in reactivity in a catalyst electrode layer. <P>SOLUTION: The solid polymer electrolyte fuel cell comprises at least a solid electrolyte membrane, catalyst electrode layers arranged on both sides of the solid electrolyte membrane, and gas diffusion layers arranged further outside of them. The ratio of the electrolyte which at least one of the catalyst electrode layers contains is higher on the gas diffusion layer side than on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒電極層における反応性が向上された固体高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell with improved reactivity in a catalyst electrode layer.

固体高分子電解質型燃料電池(以下、単に燃料電池と称する場合がある。)の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。   A unit cell, which is the minimum power generation unit of a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to simply as a fuel cell), generally comprises a membrane electrode assembly in which a catalyst electrode layer is bonded to both sides of a solid electrolyte membrane. A gas diffusion layer is disposed on both sides of the membrane electrode assembly. Furthermore, a separator having a gas flow path is arranged outside thereof, and the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst electrode layer of the membrane electrode composite are passed through the gas diffusion layer, It works to transmit the current obtained by power generation to the outside.

上記燃料電池に用いられる触媒電極層においては、固体電解質膜に用いられるものと同様な電解質と、触媒が担持された導電物質とを、反応に必要な水素ガスや酸素ガスが透過可能な程度に開孔を有する状態に混錬することにより、反応に寄与する電解質、触媒、および反応ガスが供給される開孔が互いに接する3相界面を形成するのが一般的である。このような燃料電池の発電特性は、単位体積当たりに上記3相界面をいかに多く形成できるかにより決定される。しかしながら、上述したような3相界面が形成されていても、反応ガスが供給されるべき開孔に到達できないと発電反応が起こることがないため、その3相界面は発電反応に寄与しないこととなる。   In the catalyst electrode layer used in the fuel cell, an electrolyte similar to that used in the solid electrolyte membrane and a conductive material carrying the catalyst are permeated to allow hydrogen gas and oxygen gas necessary for the reaction to permeate. It is common to form a three-phase interface where the electrolyte, the catalyst, and the reaction gas-supplied pores are in contact with each other by kneading into a state having pores. The power generation characteristics of such a fuel cell are determined by how many three-phase interfaces can be formed per unit volume. However, even if the three-phase interface as described above is formed, the power generation reaction does not occur if the opening to which the reaction gas is to be supplied cannot be reached. Therefore, the three-phase interface does not contribute to the power generation reaction. Become.

上記不具合を防止するために、特許文献1等において、触媒電極層のガス拡散層側の領域が含有する電解質の割合を低くし、触媒電極層の固体電解質膜側の領域が含有する電解質の割合を高くした触媒電極層が開示されている。上記構成にすることにより、触媒電極層のガス拡散層側の領域のガス拡散、浸透性を向上させることができ、また、固体電解質膜側の領域のプロトン伝導性を向上させることができる。また、特許文献2には、触媒電極層内において触媒担持担体の濃度が傾斜配置された触媒電極層の製造方法等が開示されている。   In order to prevent the above problem, in Patent Document 1 or the like, the ratio of the electrolyte contained in the gas diffusion layer side region of the catalyst electrode layer is reduced, and the ratio of the electrolyte contained in the solid electrolyte membrane side region of the catalyst electrode layer A catalyst electrode layer having a high height is disclosed. With the above configuration, gas diffusion and permeability in the region of the catalyst electrode layer on the gas diffusion layer side can be improved, and proton conductivity in the region on the solid electrolyte membrane side can be improved. Patent Document 2 discloses a method for producing a catalyst electrode layer in which the concentration of the catalyst-supporting carrier is inclined in the catalyst electrode layer.

しかしながら、触媒電極層の固体電解質膜側の領域は発電反応による生成水が多く発生する領域であるためフラッディングが発生しやすく、この領域の電解質の含有割合を高めることはフラッディングの悪化が懸念される。また、電解質の含有割合が低いガス拡散層側の領域のプロトン伝導性が低下し、この領域に配された触媒までプロトンが到達しないため、高価な触媒を配しても発電反応に寄与しないこととなる。   However, since the region on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer is a region where a large amount of water generated by the power generation reaction is generated, flooding is likely to occur. Increasing the electrolyte content in this region is likely to deteriorate the flooding. . In addition, the proton conductivity of the gas diffusion layer side region where the electrolyte content is low decreases, and protons do not reach the catalyst placed in this region, so even if an expensive catalyst is placed, it does not contribute to the power generation reaction It becomes.

特開平8−88008号公報Japanese Patent Laid-Open No. 8-88008 特開2004−87267公報JP 2004-87267 A

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、触媒電極層における反応性が向上された固体高分子電解質型燃料電池を提供することを主目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and has as its main object to provide a solid polymer electrolyte fuel cell with improved reactivity in the catalyst electrode layer.

上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配置された触媒電極層と、さらにその外側に配置されたガス拡散層とを少なくとも有する固体高分子電解質型燃料電池において、少なくとも一方の上記触媒電極層が含有する電解質の割合が、上記触媒電極層の上記固体電解質膜側よりも、上記ガス拡散層側の方が高いことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a solid polymer electrolyte comprising at least a solid electrolyte membrane, a catalyst electrode layer disposed on both sides of the solid electrolyte membrane, and a gas diffusion layer disposed on the outside thereof. In the solid fuel cell, the solid polymer, wherein the ratio of the electrolyte contained in at least one of the catalyst electrode layers is higher on the gas diffusion layer side than on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer An electrolyte fuel cell is provided.

上記触媒電極層が含有する電解質の割合を、上記ガス拡散層側で高くすることにより、ガス拡散層側に優先的にプロトンが供給することができ、反応ガスが豊富に供給される上記部分の反応性を向上させることができる。上記触媒電極層のガス拡散層側は反応ガス流路と接しているため、上記領域が含有する電解質の割合が多くてもフラッディングが起こりにくく、フラッディング等の不具合なく触媒電極層の反応性を向上させることができる。   By increasing the ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode layer on the gas diffusion layer side, protons can be supplied preferentially to the gas diffusion layer side, and the portion of the portion where the reaction gas is supplied abundantly. The reactivity can be improved. Since the gas diffusion layer side of the catalyst electrode layer is in contact with the reaction gas flow path, flooding is unlikely to occur even if the proportion of the electrolyte contained in the region is large, and the reactivity of the catalyst electrode layer is improved without problems such as flooding. Can be made.

上記発明においては、上記触媒電極層内に、上記触媒電極層を積層方向に貫通するイオン伝導部を有することが好ましい。上述したような触媒電極層内に上記イオン伝導部を設けることにより、触媒電極層のガス拡散層側に効率よくプロトンを供給することができ、ガス拡散層側の反応性をさらに向上させることができる。   In the said invention, it is preferable to have the ion conduction part which penetrates the said catalyst electrode layer in the lamination direction in the said catalyst electrode layer. Providing the ion conductive portion in the catalyst electrode layer as described above enables efficient supply of protons to the gas diffusion layer side of the catalyst electrode layer, thereby further improving the reactivity on the gas diffusion layer side. it can.

本発明は、触媒電極層の反応性を向上させることができるといった効果を奏するものである。   The present invention has an effect that the reactivity of the catalyst electrode layer can be improved.

本発明は、少なくとも一方の触媒電極層に、ガス拡散層側に電解質が多く含有される触媒電極層を用いることにより、燃料電池の反応特性を向上させようとするものである。   The present invention intends to improve the reaction characteristics of a fuel cell by using a catalyst electrode layer containing a large amount of electrolyte on the gas diffusion layer side as at least one catalyst electrode layer.

以下、本発明の燃料電池について、図を用いて説明する。
図1は本発明の燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。図1に示すように、本発明の燃料電池1においては、固体電解質膜2が触媒電極層3により挟持されており、さらにその外側にガス拡散層4、セパレータ5が配されている。上記触媒電極層3は、含有する電解質の割合が異なる触媒電極形成層3a〜3cが複数積層されて形成されており、上記触媒電極層3内には、その積層方向に触媒電極層3を貫通するイオン伝導部6が形成されている。
Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the configuration of the fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 1, in the fuel cell 1 of the present invention, a solid electrolyte membrane 2 is sandwiched between catalyst electrode layers 3, and a gas diffusion layer 4 and a separator 5 are disposed on the outside thereof. The catalyst electrode layer 3 is formed by laminating a plurality of catalyst electrode formation layers 3a to 3c having different proportions of electrolytes contained therein, and penetrates the catalyst electrode layer 3 in the lamination direction in the catalyst electrode layer 3. An ion conducting portion 6 is formed.

この例において、上記触媒電極層3は、含有する電解質の割合が異なる触媒電極形成層3a〜3cが複数積層されて形成されている。上記触媒電極層3においては、全ての触媒電極形成層の中でも、上記ガス拡散層4と隣接する触媒電極形成層3aが含有する電解質の割合が最も高く、上記固体電解質膜2と隣接する触媒電極形成層3cが含有する電解質の割合が最も低くなるように形成されている。また、上記2つの触媒電極形成層の間に位置する触媒電極形成層3bは、上記触媒電極形成層3aと、触媒電極形成層3cとの間の割合の電解質を含有するように形成されている。また、触媒電極層3内には、触媒電極層3を積層方向に貫通するイオン伝導部6が形成されている。   In this example, the catalyst electrode layer 3 is formed by laminating a plurality of catalyst electrode forming layers 3a to 3c having different ratios of electrolytes contained therein. In the catalyst electrode layer 3, the ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode formation layer 3 a adjacent to the gas diffusion layer 4 is the highest among all the catalyst electrode formation layers, and the catalyst electrode adjacent to the solid electrolyte membrane 2. The formation layer 3c is formed so that the ratio of the electrolyte contained is the lowest. The catalyst electrode formation layer 3b located between the two catalyst electrode formation layers is formed so as to contain an electrolyte in a proportion between the catalyst electrode formation layer 3a and the catalyst electrode formation layer 3c. . In the catalyst electrode layer 3, an ion conducting portion 6 that penetrates the catalyst electrode layer 3 in the stacking direction is formed.

このように触媒電極層3のガス拡散層4側の領域が含有する電解質の割合を高くすることにより、ガス拡散層4側に隣接する触媒電極形成層3aにおけるプロトン伝導性が向上されるため、反応ガスが豊富に供給されるこの領域に配された触媒を有効に利用することができ、反応性を向上させることができる。この領域はガス流路と隣接しているため、含有する電解質の割合が高くてもフラッディングは発生しにくい。また、フラッディングが起こりやすい固体電解質膜2側の触媒電極形成層3cが含有する電解質の割合を低くすることにより、この領域のフラッディングを抑制することができる。また、触媒電極層内にはイオン伝導部が形成されているため、触媒電極層の固体電解質膜側の領域のイオン伝導性がそれほど高くない場合でも、触媒電極層のガス拡散層側の領域に効率的にイオンを供給することができ、触媒電極層の反応性をより高めることができる。
以下、このような本発明の燃料電池を構成する各構成部材について、それぞれ分けて説明する。
By increasing the ratio of the electrolyte contained in the gas diffusion layer 4 side region of the catalyst electrode layer 3 in this way, proton conductivity in the catalyst electrode forming layer 3a adjacent to the gas diffusion layer 4 side is improved. The catalyst disposed in this region where the reaction gas is abundantly supplied can be used effectively, and the reactivity can be improved. Since this region is adjacent to the gas flow path, flooding is unlikely to occur even if the proportion of the electrolyte contained is high. Moreover, the flooding of this area | region can be suppressed by making low the ratio of the electrolyte which the catalyst electrode formation layer 3c by the side of the solid electrolyte membrane 2 in which flooding easily occurs is contained. In addition, since the ion conductive portion is formed in the catalyst electrode layer, even if the ion conductivity in the region on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer is not so high, the ion diffusion portion in the region of the catalyst electrode layer on the gas diffusion layer side. Ions can be supplied efficiently, and the reactivity of the catalyst electrode layer can be further increased.
Hereafter, each structural member which comprises such a fuel cell of this invention is each demonstrated separately.

1.触媒電極層
(1)触媒電極層
まず、本発明に用いられる触媒電極層について説明する。
本発明に用いられる少なくとも一方の触媒電極層は、含有する電解質の割合が、上記触媒電極層の上記固体電解質膜側よりも、上記ガス拡散層側の方が高いことを特徴とするものである。このように、触媒電極層のガス拡散層側の領域が含有する電解質の割合を高くすることにより、該領域のプロトン伝導性が向上されるため、該領域の反応性を向上させることができる。上記領域は固体電解質膜から離れた箇所にある領域であり、到達するプロトンが少ないため反応性が低く、従来の触媒電極層ではこの領域に配置された触媒は有効に利用されていなかった。そこで本発明においては、触媒電極層のガス拡散層側の領域が含有する電解質の割合を高くしてこの領域の反応性を高めることにより、反応ガスが豊富に供給されるこの領域に配置された触媒を有効に利用することが可能になった。
1. Catalytic electrode layer
(1) Catalyst electrode layer First, the catalyst electrode layer used in the present invention will be described.
At least one of the catalyst electrode layers used in the present invention is characterized in that the ratio of the electrolyte contained is higher on the gas diffusion layer side than on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer. . As described above, by increasing the proportion of the electrolyte contained in the gas diffusion layer side region of the catalyst electrode layer, the proton conductivity of the region is improved, so that the reactivity of the region can be improved. The above-mentioned region is a region located away from the solid electrolyte membrane, and has low reactivity due to a small amount of reaching protons, and the catalyst disposed in this region has not been effectively used in the conventional catalyst electrode layer. Therefore, in the present invention, the ratio of the electrolyte contained in the gas diffusion layer side region of the catalyst electrode layer is increased to increase the reactivity of this region, thereby being arranged in this region where the reactant gas is supplied abundantly. It became possible to use the catalyst effectively.

上述したような、電解質の含有割合が領域によって異なる触媒電極層は、例えば、電解質の含有割合が異なる触媒電極形成層を複数層積層することにより形成することができる。この場合、1つの触媒電極層を形成する上記触媒電極形成層の数は、2以上であれば特に限定されるものではない。例えば、3層またはそれ以上の触媒電極形成層を用いて触媒電極層を形成する場合は、ガス拡散層と隣接する触媒電極形成層が含有する電解質の割合が最も高く、固体電解質膜と隣接する触媒電極形成層が含有する電解質の割合が最も低く、それらの間に位置する触媒電極形成層は上記2つの触媒電極形成層の中間の割合の電解質を含有するように形成される。   As described above, the catalyst electrode layers having different electrolyte contents depending on the region can be formed by, for example, laminating a plurality of catalyst electrode forming layers having different electrolyte contents. In this case, the number of the catalyst electrode forming layers forming one catalyst electrode layer is not particularly limited as long as it is 2 or more. For example, when a catalyst electrode layer is formed using three or more catalyst electrode formation layers, the ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode formation layer adjacent to the gas diffusion layer is the highest and adjacent to the solid electrolyte membrane. The ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode formation layer is the lowest, and the catalyst electrode formation layer located between them is formed so as to contain an electrolyte in an intermediate ratio between the two catalyst electrode formation layers.

また、上記触媒電極層は、含有する電解質の割合がその積層方向に連続的に変化するものであってもよい。この場合、触媒電極層が含有する電解質の割合が、ガス拡散層側の領域が最も高く、固体電解質膜側に近づくにつれて連続的に電解質の含有割合が低下するように形成される。   The catalyst electrode layer may be one in which the proportion of the electrolyte contained continuously changes in the stacking direction. In this case, the ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode layer is the highest in the region on the gas diffusion layer side, and is formed such that the content ratio of the electrolyte continuously decreases as it approaches the solid electrolyte membrane side.

本発明において、触媒電極層における電解質の割合とは、触媒が担持される担体である導電性物質(触媒を除く)の重量と、電解質の乾燥重量との比((電解質の乾燥重量)/(導電性物質の重量))の値を意味するものとする。例えば、導電性物質に炭素材料を、電解質に高分子電解質を用いた場合は、導電性物質の重量と高分子電解質の乾燥重量との比が触媒電極層における電解質の割合となる。   In the present invention, the ratio of the electrolyte in the catalyst electrode layer is the ratio of the weight of the conductive material (excluding the catalyst), which is the carrier on which the catalyst is supported, to the dry weight of the electrolyte ((dry weight of the electrolyte) / ( It shall mean the value of the weight of the conductive substance)). For example, when a carbon material is used as the conductive material and a polymer electrolyte is used as the electrolyte, the ratio of the weight of the conductive material to the dry weight of the polymer electrolyte is the ratio of the electrolyte in the catalyst electrode layer.

本発明において、触媒電極層の各領域が含有する電解質の割合は、固体電解質膜側よりもガス拡散層側の方が高ければ特に限定されるものではないが、触媒電極層内で最も電解質の含有割合が高い、ガス拡散層と隣接する領域の含有割合は、0.8〜1.5の範囲内、中でも1.0〜1.3の範囲内であることが好ましい。また、触媒電極層内で最も電解質の含有割合が低い、固体電解質膜と隣接する領域の含有割合は、0.3〜1.0の範囲内、中でも0.5〜0.8の範囲内であることが好ましい。さらに、ガス拡散層に隣接する領域が含有する電解質の割合と、固体電解質膜に隣接する領域が含有する電解質の割合との差が0.1〜0.4の範囲内、中でも0.2〜0.3の範囲内であることが好ましい。電解質の含有割合の差を上記範囲内にすることにより、触媒電極層の固体電解質膜側の領域のフラッディングを抑制し、かつ、ガス拡散層側の領域の反応性を向上させることができる。   In the present invention, the ratio of the electrolyte contained in each region of the catalyst electrode layer is not particularly limited as long as the gas diffusion layer side is higher than the solid electrolyte membrane side, but the most electrolyte in the catalyst electrode layer. The content ratio of the region adjacent to the gas diffusion layer having a high content ratio is preferably in the range of 0.8 to 1.5, and more preferably in the range of 1.0 to 1.3. Further, the content ratio of the region adjacent to the solid electrolyte membrane having the lowest electrolyte content ratio in the catalyst electrode layer is within the range of 0.3 to 1.0, and particularly within the range of 0.5 to 0.8. Preferably there is. Furthermore, the difference between the proportion of the electrolyte contained in the region adjacent to the gas diffusion layer and the proportion of the electrolyte contained in the region adjacent to the solid electrolyte membrane is within the range of 0.1 to 0.4, particularly 0.2 to It is preferable to be within the range of 0.3. By setting the difference in the electrolyte content within the above range, flooding of the region on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer can be suppressed, and the reactivity of the region on the gas diffusion layer side can be improved.

なお、本発明に用いられる触媒電極層を形成する材料は特に限定されるものではなく、従来用いられてきた通常のものを用いることができる。例えば、カーボン粉末やカーボンナノチューブなどの導電性物質上に白金や白金合金などの触媒を担持した触媒担持導電性物質と、固体電解質膜に用いられる、ナフィオン(商品名:Nafion、デュポン株式会社製)などの電解質とから触媒電極層を形成することができる。   In addition, the material which forms the catalyst electrode layer used for this invention is not specifically limited, The normal thing conventionally used can be used. For example, a catalyst-supporting conductive material in which a catalyst such as platinum or a platinum alloy is supported on a conductive material such as carbon powder or carbon nanotube, and Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont) used for a solid electrolyte membrane A catalyst electrode layer can be formed from an electrolyte such as

上述したような、異なる組成を有する触媒電極形成層が複数積層されてなる触媒電極層は、1つの触媒電極形成層形成用塗工液をインクジェット法、スプレー法、スクリーン印刷法などの塗布方法により、固体電解質膜やその他の基材に塗布および固化した後、その上に上記とは異なる組成を有する触媒電極形成層形成用塗工液を塗布および固化することにより形成することができる。また、アプリケータを用いて形成することもできる。さらに、触媒電極層が含有する電解質の割合が連続的に変化する触媒電極層は、特開2004−87267公報に開示されているように、電圧および磁場を用いて形成することができる。   As described above, a catalyst electrode layer formed by laminating a plurality of catalyst electrode formation layers having different compositions is obtained by applying a single coating solution for forming a catalyst electrode formation layer by an application method such as an inkjet method, a spray method, or a screen printing method. It can be formed by coating and solidifying a solid electrolyte membrane or other substrate, and then applying and solidifying a coating solution for forming a catalyst electrode layer having a composition different from the above. It can also be formed using an applicator. Furthermore, the catalyst electrode layer in which the ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode layer continuously changes can be formed using a voltage and a magnetic field as disclosed in JP-A-2004-87267.

なお、本発明においては、上述したような電解質の含有割合が領域によって異なる触媒電極層を、燃料極側および空気極側の両方の触媒電極層に用いてもよいし、燃料極側または空気極側のどちらか一方にのみ用いてもよい。本発明においては、上記の中でも、少なくとも空気極側が上述したような触媒電極層であることが好ましい。空気極は生成水が発生する箇所であるため、空気極側に上述したような触媒電極層を用いることにより、フラッディングの抑制などの本発明の触媒電極層の効果を効果的に利用することができる。   In the present invention, the catalyst electrode layers having different electrolyte content ratios as described above may be used for both the fuel electrode side and the air electrode side catalyst electrode layer, or the fuel electrode side or the air electrode. It may be used only on either side. In the present invention, among the above, at least the air electrode side is preferably the catalyst electrode layer as described above. Since the air electrode is a place where generated water is generated, the effect of the catalyst electrode layer of the present invention, such as suppression of flooding, can be effectively utilized by using the catalyst electrode layer as described above on the air electrode side. it can.

(2)イオン伝導部
本発明においては、上述したような触媒電極層内にイオンを伝導するイオン伝導部が形成されていることが好ましい。プロトンの通り道となるイオン伝導部を触媒電極層内に設けることによりイオン伝導性を向上させることができ、触媒電極層内の固体電解質膜から離れた領域にも効率よくプロトンを供給することができる。本発明においては、触媒電極層のガス拡散層側の領域は含有する電解質の割合が高いためプロトン伝導性が高く、かつ、反応ガスが豊富に供給される領域でもあるため、固体電解質膜からのプロトンを優先的に供給することにより、この領域の反応性をさらに向上させることができる。また、発電反応が活発に行なわれて多量の生成水が発生しても、この領域はガス流路に隣接しているためフラッディングが起こりにくい。そのため、イオン伝導部を形成することにより触媒電極層のガス拡散層側の領域を反応性がさらに高く、かつ、フラッディングが発生しにくい領域にすることができる。
(2) Ion Conducting Part In the present invention, it is preferable that an ion conducting part for conducting ions is formed in the catalyst electrode layer as described above. Ion conductivity can be improved by providing an ion conduction part in the catalyst electrode layer that serves as a passage for protons, and protons can be efficiently supplied to a region away from the solid electrolyte membrane in the catalyst electrode layer. . In the present invention, the region on the gas diffusion layer side of the catalyst electrode layer has a high proton conductivity because it contains a high proportion of the electrolyte contained therein, and is also a region where abundant reactant gases are supplied. By preferentially supplying protons, the reactivity of this region can be further improved. Even if the power generation reaction is actively performed and a large amount of generated water is generated, flooding is unlikely to occur because this region is adjacent to the gas flow path. Therefore, by forming the ion conductive portion, the region on the gas diffusion layer side of the catalyst electrode layer can be made to be a region having higher reactivity and less likely to generate flooding.

上記イオン伝導部の形状等は、固体電解質膜から触媒電極層内、特にガス拡散層側へイオンを伝導することができる形状であれば特に限定されるものではない。固体電解質膜から触媒電極層内へとイオンを伝導するというイオン伝導部の機能から、上記イオン伝導部の一端は固体電解質膜に接触していることが好ましい。例えば、一端が固体電解質膜と接触しており、かつ、触媒電極層の固体電解質膜側からガス拡散層側へと突出する凸部のような形状を有するものであってもよい。   The shape or the like of the ion conducting part is not particularly limited as long as it can conduct ions from the solid electrolyte membrane to the inside of the catalyst electrode layer, particularly to the gas diffusion layer side. It is preferable that one end of the ion conducting portion is in contact with the solid electrolyte membrane from the function of the ion conducting portion that conducts ions from the solid electrolyte membrane into the catalyst electrode layer. For example, one end may be in contact with the solid electrolyte membrane, and the catalyst electrode layer may have a shape such as a protrusion protruding from the solid electrolyte membrane side to the gas diffusion layer side.

本発明においては、イオン伝導部は図1に例示するように、触媒電極層を積層方向に貫通するものであることが好ましい。イオン伝導部をこのように形成することにより、固体電解質膜からのプロトンを触媒電極層のガス拡散層側の領域に効率よく確実に供給することが可能になる。   In the present invention, as illustrated in FIG. 1, the ion conductive portion preferably penetrates the catalyst electrode layer in the stacking direction. By forming the ion conductive portion in this manner, it becomes possible to efficiently and reliably supply protons from the solid electrolyte membrane to the gas diffusion layer side region of the catalyst electrode layer.

本発明において、イオン伝導部の大きさは、その内部をプロトンが移動可能であれば特に限定されるものではないが、通常は、イオン伝導部の径は0.1〜100μmの範囲内、中でも、径の細いイオン伝導部を多数配置することが好ましい。また、積層方向に垂直な触媒電極層の任意の断面において、上記イオン伝導部が占める断面積の割合が5〜50%の範囲内、中でも20〜35%の範囲内であることが好ましい。   In the present invention, the size of the ion conducting portion is not particularly limited as long as protons can move inside the ion conducting portion. Usually, the diameter of the ion conducting portion is in the range of 0.1 to 100 μm. It is preferable to arrange a large number of ion conducting portions having a small diameter. In addition, in an arbitrary cross section of the catalyst electrode layer perpendicular to the stacking direction, the ratio of the cross-sectional area occupied by the ion conductive portion is preferably in the range of 5 to 50%, more preferably in the range of 20 to 35%.

イオン伝導性を有するイオン伝導部は通常親水性の材料から形成されるため、イオン伝導部の径が大きすぎる、またはイオン伝導部が占める断面積が広すぎると、触媒電極層の含水量が多くなりすぎてフラッディングが発生してしまう可能性がある。また、径が大きいイオン伝導部を少数配置するよりも、径の小さなイオン伝導部を多数配置した場合の方が触媒電極層中のより広い領域にプロトンを供給でき、触媒の利用率を向上させることができる。   Since the ion conducting part having ion conductivity is usually formed from a hydrophilic material, if the diameter of the ion conducting part is too large or the cross-sectional area occupied by the ion conducting part is too wide, the water content of the catalyst electrode layer is large. There is a possibility that flooding occurs due to too much. Also, it is possible to supply protons to a wider area in the catalyst electrode layer and improve the utilization rate of the catalyst when a large number of small-diameter ion conductive portions are disposed rather than a small number of large-diameter ion conductive portions. be able to.

上記イオン伝導部は、図2に例示するように、触媒電極層の積層方向に垂直な面内に均等に配置されていてもよい。また、燃料電池の乾燥しやすい領域に、他の領域よりも多く親水性であるイオン伝導部を配置することにより、乾燥を抑制することもできる。あるいは、燃料電池システムのガス流路の下流側においては、通流するガスの大部分が既に反応に使用されており通流する反応ガスの濃度が低いことが多いが、このようなガス流路の下流側の領域が含有する電解質の割合を高くし、かつ、触媒を高い密度で担持した触媒担持導電性物質を用いることにより、低い濃度の反応ガス雰囲気下においても発電特性を良好に維持することができる。   As illustrated in FIG. 2, the ion conductive portions may be evenly arranged in a plane perpendicular to the stacking direction of the catalyst electrode layers. Moreover, drying can also be suppressed by arrange | positioning the ion conduction part which is more hydrophilic than another area | region in the area | region which is easy to dry of a fuel cell. Alternatively, on the downstream side of the gas flow path of the fuel cell system, most of the flowing gas is already used for the reaction, and the concentration of the flowing reactive gas is often low. By maintaining the ratio of the electrolyte contained in the downstream region of the catalyst and using a catalyst-carrying conductive material carrying the catalyst at a high density, the power generation characteristics are maintained well even in a low-concentration reaction gas atmosphere. be able to.

上述したような、領域により電解質の含有割合が異なる触媒電極層内に上記イオン伝導部を設ける場合は、固体電解質膜側の領域が含有する電解質の割合を、イオン伝導部を設けない場合よりもさらに低くすることができる。イオン伝導部を設けない場合、プロトンは触媒電極層の固体電解質膜側の領域の電解質によってガス拡散層側の領域へと伝導される。しかしながら、イオン伝導部が設けられている場合は、上記イオン伝導部がその役割を果すため、固体電解質膜から、触媒電極層のガス拡散層側の領域へのプロトンの伝導は上記イオン伝導部により効率よく行うことができる。そのため、触媒電極層の固体電解質膜側の領域は、発電反応に必要な電解質のみを含有していればよく、電解質の含有割合を低減することができるので、この領域のフラッディングをより効果的に抑制することができる。この際の、触媒電極層の固体電解質膜と隣接する領域の含有割合は、上記「(1)触媒電極層」に記載された範囲の中でも、0.3〜1.0重量%の範囲内、特に0.3〜0.6重量%の範囲内であることが好ましい。   As described above, when the ion conductive portion is provided in the catalyst electrode layer in which the electrolyte content varies depending on the region, the ratio of the electrolyte contained in the region on the solid electrolyte membrane side is set to be lower than the case where the ion conductive portion is not provided. It can be further lowered. When the ion conducting portion is not provided, protons are conducted to the region on the gas diffusion layer side by the electrolyte in the region on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer. However, when an ion conduction part is provided, the ion conduction part plays its role, and proton conduction from the solid electrolyte membrane to the gas diffusion layer side region of the catalyst electrode layer is caused by the ion conduction part. It can be done efficiently. Therefore, the region on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer only needs to contain the electrolyte necessary for the power generation reaction, and the content ratio of the electrolyte can be reduced. Therefore, flooding of this region can be more effectively performed. Can be suppressed. In this case, the content ratio of the region adjacent to the solid electrolyte membrane of the catalyst electrode layer is within the range of 0.3 to 1.0% by weight among the range described in the above “(1) Catalyst electrode layer”. In particular, it is preferably within the range of 0.3 to 0.6% by weight.

本発明において、イオン伝導部を形成する材料は、イオンを伝導するものであれば特に限定されるものではなく、触媒電極層や固体電解質膜に用いられる電解質を用いることができる。例えば、ナフィオン(商品名:Nafion、デュポン株式会社製)などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができる。   In the present invention, the material for forming the ion conducting portion is not particularly limited as long as it conducts ions, and an electrolyte used for a catalyst electrode layer or a solid electrolyte membrane can be used. For example, organic resin such as fluorine resin represented by Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont), hydrocarbon resin represented by amide resin, or silicon oxide Examples thereof include inorganic materials such as those having a main component.

上述したような触媒電極層であって、かつ、イオン伝導部が形成された触媒電極層の製造方法は、上記構成を有する触媒電極層を製造できるものであれば特に限定されるものではない。例えば、上述した、電解質の含有割合が段階的に変化する触媒電極層の形成方法において、各触媒電極形成層形成用塗工液を塗布する際、イオン伝導部を形成する箇所には塗布しないように、上記触媒電極形成層形成用塗工液をパターン状に塗布および固化した後、該積層体の貫通孔に電解質を充填してイオン伝導部を形成することにより上記構成の触媒電極層を製造することができる。   The method for producing the catalyst electrode layer as described above and having the ion conducting portion formed thereon is not particularly limited as long as the catalyst electrode layer having the above-described configuration can be produced. For example, in the above-described method for forming a catalyst electrode layer in which the content ratio of the electrolyte changes stepwise, when applying each coating solution for forming a catalyst electrode layer, do not apply to the portion where the ion conductive portion is formed. The catalyst electrode layer having the above-described structure is manufactured by coating and solidifying the coating solution for forming the catalyst electrode forming layer in a pattern and then filling the through hole of the laminate with an electrolyte to form an ion conducting portion. can do.

また、所望の形状を有する型を用いて、イオン伝導部を形成する孔を有する積層体を形成し、該孔に電解質を充填してイオン伝導部を形成することによっても上記構成の触媒電極層を製造することができる。さらに、上記とは逆に、型などを用いてイオン伝導部を先に形成し、その周辺に触媒電極形成層形成用塗工液を用いて触媒電極層を形成することもできる。なお、上記イオン伝導部は、上述したように触媒電極層内に形成されてもよいし、また、固体電解質膜とイオン伝導部とを一体として形成し、その後触媒電極層を形成してもよい。   Further, the catalyst electrode layer having the above-described configuration can also be formed by forming a laminated body having a hole for forming an ion conductive portion using a mold having a desired shape and filling the hole with an electrolyte to form the ion conductive portion. Can be manufactured. Further, conversely to the above, it is also possible to form the ion conductive portion first using a mold or the like and form the catalyst electrode layer around the ion conductive portion using the coating solution for forming the catalyst electrode forming layer. The ion conduction part may be formed in the catalyst electrode layer as described above, or the solid electrolyte membrane and the ion conduction part may be integrally formed, and then the catalyst electrode layer may be formed. .

本発明においては、上述したような電解質の含有割合が領域によって異なり、かつ、イオン伝導部が設けられた触媒電極層を、燃料極側および空気極側の両方の触媒電極層に用いてもよいし、燃料極側または空気極側のどちらか一方にのみ用いてもよい。本発明においては、上記の中でも、少なくとも空気極側の触媒電極層が上記領域により電解質の含有割合が異なり、かつ、上記イオン伝導部が設けられているものであることが好ましい。空気極は生成水が発生する箇所であるため、空気極側の触媒電極層内に上記イオン伝導部を設け、かつ、固体電解質膜側の領域が含有する電解質の割合を低くすることにより、固体電解質膜側の領域の反応性を低下させることなく該領域のフラッディングを防止することができる。   In the present invention, the catalyst electrode layer having the above-described electrolyte content ratio depending on the region and provided with the ion conducting portion may be used for both the fuel electrode side and the air electrode side catalyst electrode layers. However, it may be used only on either the fuel electrode side or the air electrode side. In the present invention, among the above, it is preferable that at least the catalyst electrode layer on the air electrode side has a different electrolyte content depending on the region and is provided with the ion conductive portion. Since the air electrode is a place where generated water is generated, the ion conductive part is provided in the catalyst electrode layer on the air electrode side, and the solid electrolyte membrane side region contains a lower proportion of the electrolyte. Flooding of the region can be prevented without reducing the reactivity of the region on the electrolyte membrane side.

2.固体電解質膜
本発明に用いられる固体電解質膜としては、プロトン伝導性に優れ、かつ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。このような固体電解質膜を形成する電解質材料としては、ナフィオン(商品名:Nafion、デュポン株式会社製)などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができる。
2. Solid Electrolyte Membrane The solid electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited as long as it is made of a material that is excellent in proton conductivity and does not pass current. Examples of the electrolyte material for forming such a solid electrolyte membrane include fluorine resins such as Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont) and hydrocarbon resins such as amide resins. Examples thereof include organic materials such as organic materials, and inorganic materials such as those containing silicon oxide as a main component.

3.ガス拡散層
本発明に用いられるガス拡散層は、ガスの透過性を有し、かつ発生した電気を集電できるものであれば特に限定されるものではなく、従来の燃料電池に用いられるものを使用することができる。一般的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。ガス拡散層の厚さは、燃料電池におけるガス拡散層としての機能を果たせるものであれば特に限定されるものではない。
3. Gas Diffusion Layer The gas diffusion layer used in the present invention is not particularly limited as long as it has gas permeability and can collect generated electricity, and is used for conventional fuel cells. Can be used. In general, a porous body such as carbon cloth or carbon paper made of carbon fiber is preferably used. The thickness of the gas diffusion layer is not particularly limited as long as it can function as a gas diffusion layer in a fuel cell.

4.セパレータ
本発明においては、上記ガス拡散層のさらに外側にセパレータが配置されていることが好ましい。上記セパレータにガス流路を形成することにより、燃料電池への反応ガスの供給および生成水の排出を効率的に行うことができる。また、導電材料から形成することにより、上記セパレータを集電体としても用いて効率的に集電を行うこともできる。
4). Separator In the present invention, it is preferable that a separator is disposed further outside the gas diffusion layer. By forming the gas flow path in the separator, it is possible to efficiently supply the reaction gas to the fuel cell and discharge the generated water. Further, by forming from a conductive material, it is possible to efficiently collect current using the separator as a current collector.

本発明においてセパレータは、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられているものを用いることができる。用いることができるセパレータの例としては、ガス拡散層側の面にガス流路が形成されており、反対側の面には、燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス供給装置が接続されているものを挙げることができる。冷却水の流路が形成されているものも含む。このようなセパレータを形成する材料としては、カーボンや金属を用いるのが一般的であり、それらを従来のものと同様な厚さに形成して用いることができる。なお、共に用いられるガス拡散層内にガス流路が形成されている場合は、セパレータにはガス流路が形成されている必要はなく、表面が平滑なセパレータを用いることができる。   In the present invention, the separator is not particularly limited, and those used in general fuel cells can be used. As an example of the separator that can be used, a gas flow path is formed on the surface on the gas diffusion layer side, and a gas supply device for supplying fuel gas and oxidant gas is connected to the opposite surface. Can be mentioned. The thing in which the flow path of the cooling water is formed is also included. As a material for forming such a separator, carbon or metal is generally used, and they can be used by forming them in the same thickness as a conventional one. In addition, when the gas flow path is formed in the gas diffusion layer used together, it is not necessary to form the gas flow path in the separator, and a separator having a smooth surface can be used.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
[実施例]
(触媒電極層の作製)
図3(a)に例示するように、イオン伝導部形成用型10上のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート11上に、異なる組成を有する3つの触媒電極形成層形成用塗工液をスプレー塗布することにより、固体電解質膜側とガス拡散層側とで異なる組成を有する触媒電極層3を形成した。上記触媒電極層3は、PTFEシート11上の触媒電極形成層3aが含有する電解質の割合が最も高く、触媒電極形成層3cが含有する電解質の割合が最も低くなるように、各触媒電極形成層形成用塗工液の組成比率を調製した。上記各層の形成の際は、塗布された前の層の触媒電極形成層形成用塗工液を真空乾燥機によって完全に乾燥した後に、次の層の形成を行なった。触媒電極形成層形成用塗工液は、白金を担持した多孔質カーボン(担持量:0.4mg/cm)、ナフィオン(商品名:Nafion、デュポン株式会社製)、溶媒(アルコール、水)から成るものを用いた。その際のナフィオン/カーボン重量比は触媒電極形成層3aが0.9、触媒電極形成層3bが0.8、触媒電極形成層3cが0.7となるように調製した。次に、図3(b)に例示するように、上記積層体からイオン伝導部形成用型10を取り除き、図3(c)に例示するように積層体の表面に電解質12を塗布し、裏面から吸引することにより貫通孔内に電解質12を含浸させ、上記積層体表層部の余分な電解質12をスキージ13(真空コーターSVM−250(東海商事株式会社製)を使用)を用いて除去した。その後、真空乾燥機によって溶媒を除去してイオン伝導部6を形成し(図3(d)参照)、触媒電極層を作製した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[Example]
(Preparation of catalyst electrode layer)
As illustrated in FIG. 3A, three catalyst electrode forming layer forming coating liquids having different compositions are spray-applied on the polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet 11 on the ion conductive portion forming mold 10. As a result, the catalyst electrode layer 3 having different compositions on the solid electrolyte membrane side and the gas diffusion layer side was formed. In the catalyst electrode layer 3, each catalyst electrode formation layer is formed so that the ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode formation layer 3a on the PTFE sheet 11 is the highest and the ratio of the electrolyte contained in the catalyst electrode formation layer 3c is the lowest. The composition ratio of the forming coating solution was prepared. In forming each of the above layers, the catalyst electrode forming layer forming coating solution of the previous layer applied was completely dried by a vacuum dryer, and then the next layer was formed. The coating solution for forming the catalyst electrode forming layer is composed of porous carbon (supported amount: 0.4 mg / cm 2 ) supporting platinum, Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont), and solvent (alcohol, water). I used. The Nafion / carbon weight ratio at that time was adjusted so that the catalyst electrode forming layer 3a was 0.9, the catalyst electrode forming layer 3b was 0.8, and the catalyst electrode forming layer 3c was 0.7. Next, as illustrated in FIG. 3B, the ion conduction part forming mold 10 is removed from the laminate, and the electrolyte 12 is applied to the surface of the laminate as illustrated in FIG. Then, the electrolyte 12 was impregnated in the through-holes, and excess electrolyte 12 on the surface layer of the laminate was removed using a squeegee 13 (vacuum coater SVM-250 (manufactured by Tokai Shoji Co., Ltd.)). Thereafter, the solvent was removed by a vacuum dryer to form the ion conducting part 6 (see FIG. 3D), and a catalyst electrode layer was produced.

(燃料電池の作製)
上記触媒電極層3の触媒電極形成層3c側を固体電解質膜の両側に熱プレス(130℃で2分間)し、PTFEシート11を除去した。さらに、触媒電極形成層3a上にガス拡散層およびセパレータを接合して燃料電池の作製を行なった。
(Production of fuel cell)
The catalyst electrode forming layer 3c side of the catalyst electrode layer 3 was hot-pressed on both sides of the solid electrolyte membrane (at 130 ° C. for 2 minutes), and the PTFE sheet 11 was removed. Further, a fuel cell was manufactured by bonding a gas diffusion layer and a separator on the catalyst electrode forming layer 3a.

(燃料電池の運転)
上記方法により作製した燃料電池の運転を行なった。その結果、フラッディング等が発生することなく、良好な発電特性を発揮した。
(Fuel cell operation)
The fuel cell produced by the above method was operated. As a result, good power generation characteristics were exhibited without occurrence of flooding or the like.

本発明の燃料電池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 fuel cell of this invention. 本発明に用いられる触媒電極層の一例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of the catalyst electrode layer used for this invention. 本発明の実施例における、触媒電極層の製造方法の一例を示す概略工程図である。It is a schematic process drawing which shows an example of the manufacturing method of a catalyst electrode layer in the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 … 燃料電池
2 … 固体電解質膜
3 … 触媒電極層
4 … ガス拡散層
6 … イオン伝導部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Solid electrolyte membrane 3 ... Catalyst electrode layer 4 ... Gas diffusion layer 6 ... Ion conduction part

Claims (2)

固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側に配置された触媒電極層と、さらにその外側に配置されたガス拡散層とを少なくとも有する固体高分子電解質型燃料電池において、
少なくとも一方の前記触媒電極層が含有する電解質の割合が、前記触媒電極層の前記固体電解質膜側よりも、前記ガス拡散層側の方が高いことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
In a solid polymer electrolyte fuel cell having at least a solid electrolyte membrane, a catalyst electrode layer disposed on both sides of the solid electrolyte membrane, and a gas diffusion layer disposed further outside thereof,
A solid polymer electrolyte fuel cell, wherein a ratio of the electrolyte contained in at least one of the catalyst electrode layers is higher on the gas diffusion layer side than on the solid electrolyte membrane side of the catalyst electrode layer.
前記触媒電極層内に、前記触媒電極層を積層方向に貫通するイオン伝導部を有することを特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料電池。 2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst electrode layer has an ion conducting portion penetrating the catalyst electrode layer in a stacking direction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014017113A (en) * 2012-07-09 2014-01-30 Toyota Motor Corp Method of manufacturing membrane electrode assembly

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