JP2008243378A - Membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell using the same - Google Patents

Membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for sufficiently suppressing deterioration of an electrolyte membrane and for enhancing durability of a PEFC, in the PEFC. <P>SOLUTION: In a membrane electrode assembly for a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane; a cathode gas diffusion electrode arranged on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and containing a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer, and an anode gas diffusion electrode arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane and containing an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, a chlorine capture layer containing a chlorine capture material is arranged in at least one of the solid polymer electrolyte membrane, the cathode gas diffusion electrode, and the anode gas diffusion electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用膜電極接合体、およびこれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell using the same.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は一般に、膜電極接合体(MEA)が1対のセパレータで挟持されてなる構造を有する。そしてMEAは、固体高分子電解質膜が1対のガス拡散電極(カソード触媒層とカソードガス拡散層とからなるカソードガス拡散電極、アノード触媒層とアノードガス拡散層とからなるアノードガス拡散電極)により挟持されてなる構成を有する。触媒層は、電極触媒およびプロトン伝導性の固体高分子電解質を含み、外部から供給される反応ガスを拡散させるために多孔質構造を有する。また、前記電極触媒は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる構造を有するのが一般的である。さらに、ガス拡散層も多孔質構造を有し、一般的には導電性カーボン繊維などにより構成される。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generally has a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) is sandwiched between a pair of separators. In the MEA, the solid polymer electrolyte membrane is formed by a pair of gas diffusion electrodes (a cathode gas diffusion electrode composed of a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer, an anode gas diffusion electrode composed of an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer). It has a configuration of being sandwiched. The catalyst layer includes an electrode catalyst and a proton conductive solid polymer electrolyte, and has a porous structure in order to diffuse reaction gas supplied from the outside. The electrode catalyst generally has a structure in which a catalyst component is supported on a conductive carrier. Furthermore, the gas diffusion layer also has a porous structure, and is generally composed of conductive carbon fibers.

PEFCのMEAにおいては、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層において触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる。生成したプロトンはその後、アノード触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらにはアノード触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード触媒層に達する。一方、アノード触媒層で生成した電子は、アノード触媒層を構成している導電性担体、さらにはアノード触媒層の固体高分子電解質膜に対向する側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通ってカソード触媒層に達する。そして、カソード触媒層に達したプロトンおよび電子は、カソード触媒層に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し、水を生成する。PEFCでは、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。   In the PEFC MEA, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component in the anode catalyst layer to become protons and electrons. The produced protons then reach the cathode catalyst layer through the solid polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer and further through the solid polymer electrolyte membrane in contact with the anode catalyst layer. On the other hand, the electrons generated in the anode catalyst layer include the conductive carrier constituting the anode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the anode catalyst layer facing the solid polymer electrolyte membrane, the separator, and the outside. It reaches the cathode catalyst layer through the circuit. The protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode catalyst layer to produce water. In PEFC, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

車載用PEFCなどのように長期間に亘って高い発電性能を発揮することが要求される用途を考慮すると、PEFCを構成する各部材の耐久性をより一層向上させることが求められており、種々の研究開発がなされている。   Considering applications that require high power generation performance over a long period of time such as in-vehicle PEFC, it is required to further improve the durability of each member constituting PEFC. R & D has been done.

ここで例えば、PEFCの主要な部材である固体高分子電解質膜の劣化メカニズムとして、PEFCの運転中にカソードまたはアノードにおいて生成する過酸化水素(H)由来のラジカルの関与が推定されている。そしてかような知見に基づき、固体高分子電解質膜にオゾン処理を施したカーボン材料(カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブなど)を分散配合し、過酸化水素に対する電解質膜の耐久性を向上させる技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。この技術によれば、オゾン処理されたカーボン材料の表面に修飾されたキノン性カルボニル基などがラジカル捕捉機能やラジカル分解機能を発揮することで、電解質膜の劣化が抑制されると考えられる。 Here, for example, as a deterioration mechanism of the solid polymer electrolyte membrane which is a main member of PEFC, the involvement of radicals derived from hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) generated at the cathode or anode during operation of PEFC is estimated. Yes. Based on this knowledge, a technology to improve the durability of electrolyte membranes against hydrogen peroxide by dispersing and blending carbon materials (carbon black, activated carbon, carbon nanotubes, etc.) that have been subjected to ozone treatment to solid polymer electrolyte membranes. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to this technique, the quinone carbonyl group modified on the surface of the ozone-treated carbon material exerts a radical scavenging function or a radical decomposition function, thereby suppressing the deterioration of the electrolyte membrane.

また、カソードにおいて生成した過酸化水素による電解質膜の劣化を抑制することを目的として、MEAを構成する電解質膜とカソード触媒層との間にラジカル捕捉層を配置する技術が提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1によれば、ラジカル捕捉材として特に希土類元素が好ましい旨が開示されている。
特開2004−152615号公報 平成17年度NEDO燃料電池・水素技術開発成果報告会、固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発事業、要素技術開発、「DSS対応長寿命電池技術の研究開発」
In addition, for the purpose of suppressing deterioration of the electrolyte membrane caused by hydrogen peroxide generated at the cathode, a technique for arranging a radical scavenging layer between the electrolyte membrane constituting the MEA and the cathode catalyst layer has been proposed (for example, , See Non-Patent Document 1). According to Non-Patent Document 1, it is disclosed that a rare earth element is particularly preferable as a radical scavenger.
JP 2004-152615 A 2005 NEDO Fuel Cell / Hydrogen Technology Development Results Report Meeting, Strategic Technology Development Project for Solid Polymer Fuel Cell Practical Use, Elemental Technology Development, “Research and Development of DSS-Compliant Long Life Battery Technology”

しかしながら、従来提案されている技術によっても電解質膜の劣化を充分に抑制できているとは言えず、電解質膜の劣化を抑制し、PEFCの耐久性をより一層向上させうる手段の開発が望まれているのが現状である。   However, it cannot be said that the deterioration of the electrolyte membrane can be sufficiently suppressed even by the conventionally proposed technology, and the development of means capable of suppressing the deterioration of the electrolyte membrane and further improving the durability of the PEFC is desired. This is the current situation.

そこで本発明は、PEFCにおいて、電解質膜の劣化を充分に抑制し、PEFCの耐久性の向上に寄与しうる技術を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a technique that can sufficiently suppress deterioration of an electrolyte membrane and contribute to improvement of durability of the PEFC in PEFC.

本発明者らは、上記の現状に鑑み、鋭意研究を行った。その過程でまず、電解質膜の劣化の原因とされている過酸化水素の発生メカニズムをより詳細に探索した。その結果、(1)PEFCの運転に伴って、カソード触媒層から溶出した白金イオン(Pt2+)が電解質膜内に移動し、カソード触媒層と電解質膜との界面から一定の距離のある部位において還元されて層状に析出する(以下、この白金の析出部位を「白金バンド」とも称する)こと(図1を参照)、(2)前記白金バンドにおいて過酸化水素が生成し、この過酸化水素が起点となって電解質膜の劣化が進行すること、(3)前記白金バンドにおいて析出した白金に塩素が吸着していること(図2を参照)、および(4)白金に吸着する塩素の量を低減させると、過酸化水素の生成が抑制されること、を見出した。なお、図1は、PEFC単セルに対するOCV試験後の単セルの垂直断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した写真である。また、図2は、単セルの垂直断面における白金バンドを、透過型電子顕微鏡エネルギー分散型X線分析装置(TEM−EDX)により撮影した写真であり、図2(a)における発光部位は白金の存在する部位を指し、図2(b)における発光部位は塩素の存在する部位を指す。 In view of the above situation, the present inventors have conducted intensive research. In the process, first, the hydrogen peroxide generation mechanism, which is the cause of electrolyte membrane degradation, was investigated in more detail. As a result, (1) with the operation of PEFC, platinum ions (Pt 2+ ) eluted from the cathode catalyst layer move into the electrolyte membrane, and at a certain distance from the interface between the cathode catalyst layer and the electrolyte membrane. Reduced and deposited in a layered form (hereinafter, this platinum deposition site is also referred to as “platinum band”) (see FIG. 1). (2) Hydrogen peroxide is generated in the platinum band. Deterioration of the electrolyte membrane proceeds as a starting point, (3) Chlorine is adsorbed on platinum deposited in the platinum band (see FIG. 2), and (4) Amount of chlorine adsorbed on platinum It has been found that the reduction reduces the production of hydrogen peroxide. FIG. 1 is a photograph taken by a scanning electron microscope (SEM) of a vertical section of a single cell after an OCV test on a PEFC single cell. FIG. 2 is a photograph of a platinum band in a vertical cross section of a single cell taken with a transmission electron microscope energy dispersive X-ray analyzer (TEM-EDX). The light emitting site in FIG. The site | part which exists exists and the luminescent site | part in FIG.2 (b) points out the site | part in which chlorine exists.

上記の知見、および、白金に吸着する塩素の供給源がPEFCの運転時にカソードに供給される酸化剤ガス(例えば、空気)やアノードに供給される燃料ガス(例えば、水素)並びにガス拡散電極を形成する材料であることに鑑み、本発明者らは、PEFCを構成するMEAの任意の箇所に塩素捕捉材を含む塩素捕捉層を配置することで、白金バンドにおける過酸化水素の生成を抑制し、ひいてはPEFCの耐久性を向上させうることを見出し、本発明を完成させるに至った。   Based on the above knowledge, the supply source of chlorine adsorbed on platinum is an oxidant gas (eg, air) supplied to the cathode during PEFC operation, a fuel gas (eg, hydrogen) supplied to the anode, and a gas diffusion electrode. In view of the material to be formed, the present inventors have suppressed the generation of hydrogen peroxide in the platinum band by disposing a chlorine trapping layer containing a chlorine trapping material at any location of the MEA constituting the PEFC. As a result, it has been found that the durability of PEFC can be improved, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置された、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含むカソードガス拡散電極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置された、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含むアノードガス拡散電極と、を有し、前記固体高分子電解質膜、前記カソードガス拡散電極、または前記アノードガス拡散電極の少なくとも1つにおいて、塩素捕捉材を含む塩素捕捉層が配置されている、燃料電池用MEAである。   That is, the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane, a cathode gas diffusion electrode including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane. An anode gas diffusion electrode including an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, the cathode gas diffusion electrode, or the anode gas diffusion electrode. One is a MEA for a fuel cell in which a chlorine capturing layer including a chlorine capturing material is disposed.

本発明の燃料電池用MEAによれば、PEFCにおいて、白金バンドにおける過酸化水素の生成が抑制され、ひいてはPEFCの耐久性が向上しうる。   According to the MEA for fuel cell of the present invention, in the PEFC, the generation of hydrogen peroxide in the platinum band can be suppressed, and as a result, the durability of the PEFC can be improved.

本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置された、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含むカソードガス拡散電極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置された、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含むアノードガス拡散電極と、を有し、前記固体高分子電解質膜、前記カソードガス拡散電極、または前記アノードガス拡散電極の少なくとも1つにおいて、塩素捕捉材を含む塩素捕捉層が配置されている、燃料電池用膜電極接合体である。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane, a cathode gas diffusion electrode including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the other of the solid polymer electrolyte membranes An anode gas diffusion electrode including an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer disposed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane, the cathode gas diffusion electrode, or the anode gas diffusion electrode. The membrane electrode assembly for fuel cells, wherein a chlorine capturing layer containing a chlorine capturing material is disposed.

以下、図面を参照しながら、本発明のMEAを好適ないくつかの実施形態について詳細に説明する。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。   Hereinafter, several preferred embodiments of the MEA of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one.

(第1実施形態)
まず、第1実施形態を説明する。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described.

図3は、第1実施形態の膜電極接合体(MEA)の模式断面図である。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the membrane electrode assembly (MEA) of the first embodiment.

図3に示すMEA100は、固体高分子電解質膜110と、前記固体高分子電解質膜110の一方の面に配置された、カソード触媒層122cおよびカソードガス拡散層124cを含むカソードガス拡散電極120cと、前記固体高分子電解質膜110の他方の面に配置された、アノード触媒層122aおよびアノードガス拡散層124aを含むアノードガス拡散電極120aと、を有する。なお、本願において、「膜電極接合体(MEA)」とは、固体高分子電解質膜110と、前記固体高分子電解質膜110を挟持する1対のガス拡散電極(120c、120a)とを有する集合体を意味する。   The MEA 100 shown in FIG. 3 includes a solid polymer electrolyte membrane 110, a cathode gas diffusion electrode 120c including a cathode catalyst layer 122c and a cathode gas diffusion layer 124c disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 110, An anode gas diffusion electrode 120a including an anode catalyst layer 122a and an anode gas diffusion layer 124a disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 110; In the present application, the “membrane electrode assembly (MEA)” is an assembly having a solid polymer electrolyte membrane 110 and a pair of gas diffusion electrodes (120c, 120a) sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 110. Means the body.

本実施形態のMEA100においては、図3に示すように、固体高分子電解質膜110のカソード触媒層122c寄りの部位に、前記カソード触媒層122cと隣接しないように、塩素捕捉層180cが配置されている。そして、固体高分子電解質膜110のアノード触媒層122a寄りの部位には、前記アノード触媒層122aと隣接するように、塩素捕捉層180aが配置されている。これらの塩素捕捉層180は、塩素捕捉材(図示せず)を含む。塩素捕捉層および塩素捕捉材の詳細については、後述する。   In the MEA 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, a chlorine capturing layer 180c is disposed in a portion of the solid polymer electrolyte membrane 110 near the cathode catalyst layer 122c so as not to be adjacent to the cathode catalyst layer 122c. Yes. A chlorine capturing layer 180a is disposed at a portion of the solid polymer electrolyte membrane 110 near the anode catalyst layer 122a so as to be adjacent to the anode catalyst layer 122a. These chlorine capturing layers 180 include a chlorine capturing material (not shown). Details of the chlorine trapping layer and the chlorine trapping material will be described later.

図3には、白金バンド190も併せて図示されている。上述したように、白金バンド190は、PEFCの運転に伴って、カソード触媒層から溶出した白金イオン(Pt2+)が電解質膜内に移動し、還元されて層状に析出する部位であり、PEFCの運転前のMEAに白金バンドは存在しない。PEFCの運転後の固体高分子電解質膜110においてこの白金バンド190が存在する部位(カソード触媒層からの距離)は、PEFCの運転条件(例えば、温度、湿度、供給ガスの組成など)によって変動しうるため、一義的に規定することは困難である。ただし、本発明者らの検討によれば、PEFCの運転時の温度条件および湿度条件下における酸素および水素に対する前記固体高分子電解質膜の透過係数をそれぞれPO2およびPH2とし、カソードに供給される酸化剤ガスにおける酸素の分圧およびアノードに供給される燃料ガスにおける水素の分圧をそれぞれpO2およびpH2とし、前記固体高分子電解質膜の厚さをLとした場合に、前記固体高分子電解質膜と前記カソード触媒層との界面からの距離dが、下記数式1: FIG. 3 also shows a platinum band 190. As described above, the platinum band 190 is a portion where platinum ions (Pt 2+ ) eluted from the cathode catalyst layer move into the electrolyte membrane and are reduced and deposited in a layered manner with the PEFC operation. There is no platinum band in the MEA before operation. The portion of the solid polymer electrolyte membrane 110 after PEFC operation where the platinum band 190 exists (distance from the cathode catalyst layer) varies depending on PEFC operation conditions (eg, temperature, humidity, supply gas composition, etc.). Therefore, it is difficult to define uniquely. However, according to the study by the present inventors, the permeability coefficients of the solid polymer electrolyte membrane with respect to oxygen and hydrogen under the temperature and humidity conditions during operation of the PEFC are P O2 and P H2 , respectively, and are supplied to the cathode. that the partial pressure of hydrogen in the oxygen partial pressure and the fuel gas supplied to the anode of the oxidizing gas was a p O2 and p H2, respectively, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane when is L, the solid high The distance d from the interface between the molecular electrolyte membrane and the cathode catalyst layer is expressed by the following formula 1:

で表される面(本願においては、この面を「析出予想面」とも称する)を中心として、白金の還元析出(白金バンド190)が生じることが判明した。 It was found that reduction deposition of platinum (platinum band 190) occurs centering on the surface represented by the above (in this application, this surface is also referred to as “predicted precipitation surface”).

ここで、上述した析出予想面の位置についての理論を裏付ける実験について説明する。図4は、OCV試験においてカソードに供給される酸化剤ガスおよびアノードに供給される燃料ガスの組成を変化させた場合の白金バンドの生成位置を、透過型電子顕微鏡(TEM)により撮影した写真である。OCV試験時のガス供給条件は、いずれも概ね常圧条件下(110kPa_abs)で、供給ガス組成(酸化剤ガス/燃料ガス)は、サンプル1:純酸素/10体積%水素含有窒素、サンプル2:純酸素/純水素、サンプル3:純水素/空気である。   Here, an experiment supporting the above-described theory about the position of the predicted precipitation surface will be described. FIG. 4 is a photograph taken with a transmission electron microscope (TEM) of the formation position of the platinum band when the composition of the oxidant gas supplied to the cathode and the fuel gas supplied to the anode is changed in the OCV test. is there. The gas supply conditions at the time of the OCV test are almost normal pressure conditions (110 kPa_abs), the supply gas composition (oxidant gas / fuel gas) is as follows: Sample 1: pure oxygen / 10 volume% hydrogen-containing nitrogen, Sample 2: Pure oxygen / pure hydrogen, sample 3: pure hydrogen / air.

図4に示す結果から、供給ガスにおける酸素分圧および窒素分圧をそれぞれ変化させると、これに応じて、PEFCの運転時に固体高分子電解質膜110において生成する白金バンド190の位置が変化することがわかる。   From the results shown in FIG. 4, when the oxygen partial pressure and nitrogen partial pressure in the supply gas are changed, the position of the platinum band 190 generated in the solid polymer electrolyte membrane 110 during PEFC operation changes accordingly. I understand.

本実施形態のMEAを含むPEFC(図示せず)の運転時においては、カソードに酸化剤ガスが供給され、アノードに燃料ガスが供給されるが、これらの供給ガスに含まれる塩素(塩化物イオン)は、固体高分子電解質膜110内をMEAの積層方向に移動する際に、塩素捕捉層180に含まれる塩素捕捉材により捕捉される。その結果、白金バンド190が生成する部位(すなわち、析出予想面)にまで到達する塩素(塩化物イオン)の量が低減され、白金バンド190における過酸化水素の生成が抑制される。そして最終的には、過酸化水素の生成に起因する固体高分子電解質膜110の劣化が緩和され、PEFCの耐久性が向上しうる。   During operation of a PEFC (not shown) including the MEA of this embodiment, an oxidant gas is supplied to the cathode and a fuel gas is supplied to the anode. Chlorine (chloride ions) contained in these supply gases ) Is trapped by the chlorine trapping material contained in the chlorine trapping layer 180 when it moves in the solid polymer electrolyte membrane 110 in the MEA stacking direction. As a result, the amount of chlorine (chloride ions) reaching the site where the platinum band 190 is generated (that is, the expected precipitation surface) is reduced, and the generation of hydrogen peroxide in the platinum band 190 is suppressed. Finally, the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 110 due to the generation of hydrogen peroxide is alleviated, and the durability of the PEFC can be improved.

上記の知見に鑑み、本実施形態において塩素捕捉層(180c、180a)は、この析出予想面(=白金バンド190の位置する面)に対してカソード側(塩素捕捉層180c)およびアノード側(塩素捕捉層180a)の双方に配置されている。かような形態によれば、カソードから析出予想面に向かって流通する酸化剤ガスに含まれる塩素(塩化物イオン)が塩素捕捉層180cにおいて捕捉され、アノードから析出予想面に向かって流通する燃料ガスに含まれる塩素(塩化物イオン)が塩素捕捉層180aにおいて捕捉される。その結果、塩素捕捉層を配置したことにより得られる作用効果がより一層顕著に発揮されうる。ただし、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されず、カソード側またはアノード側のいずれか一方のみに塩素捕捉層が配置される形態もまた、採用されうる。   In view of the above knowledge, in the present embodiment, the chlorine trapping layers (180c, 180a) are formed on the cathode side (chlorine trapping layer 180c) and anode side (chlorine) with respect to the predicted precipitation surface (= the surface where the platinum band 190 is located). It is arranged on both of the acquisition layers 180a). According to such a configuration, chlorine (chloride ions) contained in the oxidant gas flowing from the cathode toward the predicted precipitation surface is trapped in the chlorine trapping layer 180c, and the fuel flows from the anode toward the predicted precipitation surface. Chlorine (chloride ions) contained in the gas is captured in the chlorine capturing layer 180a. As a result, the operational effects obtained by arranging the chlorine capturing layer can be more remarkably exhibited. However, the technical scope of the present invention is not limited to such a form, and a form in which the chlorine capturing layer is disposed only on either the cathode side or the anode side can also be adopted.

なお、上述したメカニズムはあくまでも推測に基づくものに過ぎず、実際は異なるメカニズムによって本発明の作用効果が得られていたとしても、本発明の技術的範囲は何ら影響を受けることはない。このことは、後述する他のそれぞれの好ましい形態のメカニズムについても同様に妥当する。   Note that the above-described mechanism is merely based on speculation, and the technical scope of the present invention is not affected at all even if the operational effects of the present invention are obtained by different mechanisms. This is also valid for each of the other preferred forms of mechanisms described below.

上述したように、本発明のMEAおよびこれを含むPEFCは、塩素捕捉層が配置されている点に特徴を有する。従って、当該特徴的な構成以外のMEAやPEFCの構成については、従来公知の知見に基づいて適宜変更や修飾が加えられてもよい。   As described above, the MEA of the present invention and the PEFC including the MEA are characterized in that a chlorine capturing layer is disposed. Therefore, the MEA and PEFC configurations other than the characteristic configuration may be appropriately changed or modified based on conventionally known knowledge.

以下、図面を参照しながら本実施形態のMEAの構成要素をそれぞれ説明した後、本発明のMEAの特徴的な構成である塩素捕捉層について説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきである。   Hereinafter, the components of the MEA of the present embodiment will be described with reference to the drawings, and then the chlorine capturing layer, which is a characteristic configuration of the MEA of the present invention, will be described. The technical scope of the present invention is claimed. Should be determined based on the scope description.

[固体高分子電解質膜]
固体高分子電解質膜110は、プロトン伝導性の固体高分子電解質(以下、単に「アイオノマ」とも称する)から構成され、PEFCの運転時にアノード触媒層122aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層122cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜110は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
[Solid polymer electrolyte membrane]
The solid polymer electrolyte membrane 110 is composed of a proton-conducting solid polymer electrolyte (hereinafter also simply referred to as “ionomer”), and protons generated in the anode catalyst layer 122a during the PEFC operation are cathodized along the film thickness direction. It has a function of selectively permeating into the catalyst layer 122c. The solid polymer electrolyte membrane 110 also has a function as a partition for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜110の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知のアイオノマからなる膜が適宜採用されうる。固体高分子電解質膜110は、構成材料であるアイオノマの種類に応じて、フッ素系固体高分子電解質膜と炭化水素系固体高分子電解質膜とに大別される。   The specific configuration of the solid polymer electrolyte membrane 110 is not particularly limited, and a conventionally known ionomer membrane can be appropriately employed in the technical field of fuel cells. The solid polymer electrolyte membrane 110 is roughly classified into a fluorine-based solid polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane according to the type of ionomer that is a constituent material.

フッ素系固体高分子電解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系固体高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系固体高分子電解質膜が用いられる。   Examples of the fluorine-based solid polymer electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer Etc. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based solid polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably a fluorine-based solid polymer electrolyte membrane composed of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer. Is used.

炭化水素系固体高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系固体高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。   Examples of the hydrocarbon solid polymer electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated. Examples include polyetheretherketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw materials are inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together.

上述した固体高分子電解質膜を構成するアイオノマ以外の材料がアイオノマとして用いられてもよい。かような材料としては、例えば、高いプロトン伝導性を有する液体、固体、ゲル状材料などが利用可能であり、リン酸、硫酸、アンチモン酸、スズ酸、ヘテロポリ酸などの固体酸、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたゲル状プロトン導電性材料などが例示される。プロトン伝導性と電子伝導性とを併有する混合導電体もまた、アイオノマとして利用されうる。   Materials other than the ionomer constituting the solid polymer electrolyte membrane described above may be used as the ionomer. As such materials, for example, liquids, solids, and gel materials having high proton conductivity can be used, and solid acids such as phosphoric acid, sulfuric acid, antimonic acid, stannic acid, and heteropoly acid, phosphoric acid, and the like. Hydrocarbon polymer compound doped with a non-organic acid, organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, gel impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution in polymer matrix An example is a proton conductive material. A mixed conductor having both proton conductivity and electron conductivity can also be used as an ionomer.

固体高分子電解質膜110の厚さは、MEA100やPEFCの特性を考慮して適宜決定され、特に限定はされない。ただし、固体高分子電解質膜110の厚さは、好ましくは5〜300μmであり、より好ましくは5〜200μmであり、さらに好ましくは10〜150μmであり、特に好ましくは15〜50μmである。厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性、および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 is appropriately determined in consideration of the characteristics of the MEA 100 and PEFC, and is not particularly limited. However, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 is preferably 5 to 300 μm, more preferably 5 to 200 μm, still more preferably 10 to 150 μm, and particularly preferably 15 to 50 μm. When the thickness is within such a range, the balance between strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

[カソードガス拡散電極]
カソードガス拡散電極120cは、カソード触媒層122cとカソードガス拡散層124cとから構成される。
[Cathode gas diffusion electrode]
The cathode gas diffusion electrode 120c includes a cathode catalyst layer 122c and a cathode gas diffusion layer 124c.

カソード触媒層122cは、触媒成分が担持されてなる電極触媒、およびアイオノマを含む層である。   The cathode catalyst layer 122c is a layer containing an electrode catalyst on which a catalyst component is supported and an ionomer.

カソード触媒層122cにおいて、電極触媒は、主に固体高分子電解質膜110経由のプロトン(H)と、外部回路経由の電子(e)と、酸化剤ガス由来の酸素(O)とから水を生成する反応(すなわち、酸素の還元反応)を促進する機能を有する。 In the cathode catalyst layer 122c, the electrode catalyst is mainly composed of protons (H + ) via the solid polymer electrolyte membrane 110, electrons (e ) via the external circuit, and oxygen (O 2 ) derived from the oxidant gas. It has a function of promoting a reaction for generating water (that is, a reduction reaction of oxygen).

電極触媒は、簡単に言えば、カーボンなどからなる導電性担体の表面に、白金などの触媒成分が担持されてなる構造を有する。   Simply speaking, the electrode catalyst has a structure in which a catalyst component such as platinum is supported on the surface of a conductive carrier made of carbon or the like.

電極触媒を構成する導電性担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるのに充分な比表面積を有し、かつ、充分な電子伝導性を有するものであればよい。導電性担体の組成は、主成分がカーボンであることが好ましい。導電性担体の材質として、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。   The electroconductive carrier constituting the electrode catalyst may be any one having a specific surface area sufficient to support the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electron conductivity. In the composition of the conductive carrier, the main component is preferably carbon. Specific examples of the material for the conductive carrier include carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.

導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよく、特に制限はないが、好ましくは100〜1500m/gであり、より好ましくは600〜1000m/gである。導電性担体の比表面積がかような範囲内の値であると、導電性担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the conductive carrier is not particularly limited as long as it is a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed manner, but is preferably 100 to 1500 m 2 / g, more preferably 600 to 1000 m. 2 / g. When the specific surface area of the conductive support is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the conductive support and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

導電性担体の平均粒子径についても特に制限はないが、通常は5〜200nmであり、好ましくは10〜100nm程度である。なお、「導電性担体の平均粒子径」の値としては、透過型電子顕微鏡(TEM)による一次粒子径測定法によって算出される値を採用するものとする。   Although there is no restriction | limiting in particular also about the average particle diameter of an electroconductive support | carrier, Usually, it is 5-200 nm, Preferably it is about 10-100 nm. In addition, as a value of “average particle diameter of the conductive carrier”, a value calculated by a primary particle diameter measurement method using a transmission electron microscope (TEM) is adopted.

導電性担体に担持される触媒成分は、上述した酸素の還元反応を触媒的に促進する機能を有するものであれば特に制限はなく、従来公知の触媒成分が適宜用いられうる。触媒成分として、具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびこれらの合金などが挙げられる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などに優れるという観点からは、触媒成分は少なくとも白金を含むことが好ましい。カソード触媒層122cにおける触媒成分として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者によって適宜選択されうるが、好ましくは白金が30〜90原子%程度、合金化する他の金属が10〜70原子%程度である。なお、「合金」とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。ここで、合金組成の特定は、ICP発光分析法を用いることで可能である。   The catalyst component supported on the conductive carrier is not particularly limited as long as it has a function of catalytically promoting the oxygen reduction reaction described above, and a conventionally known catalyst component can be appropriately used. Specific examples of the catalyst component include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Etc. Among these, the catalyst component preferably contains at least platinum from the viewpoint of excellent catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, and heat resistance. The composition of the alloy in the case of using an alloy as the catalyst component in the cathode catalyst layer 122c varies depending on the type of metal to be alloyed and the like, and can be appropriately selected by those skilled in the art, but is preferably about 30 to 90 atomic% platinum. The other metal to be converted is about 10 to 70 atomic%. Note that an “alloy” is a general term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. Here, the alloy composition can be specified by using an ICP emission analysis method.

触媒成分の形状や大きさは特に制限されず、従来公知の触媒成分と同様の形状および大きさが適宜採用されうるが、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。そして、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmであり、より好ましくは1.5〜20nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明において、「触媒粒子の平均粒子径」の値は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として算出されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as those of conventionally known catalyst components can be adopted as appropriate, but the shape of the catalyst component is preferably granular. And the average particle diameter of a catalyst particle becomes like this. Preferably it is 1-30 nm, More preferably, it is 1.5-20 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. In the present invention, the value of the “average particle diameter of the catalyst particles” is the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the transmission electron microscope image. It can be calculated as an average value of diameters.

電極触媒における導電性担体と触媒成分との含有量の比は、特に制限されない。ただし、触媒成分の含有率(担持量)は、導電性担体100質量%を基準として、好ましくは110〜300質量%であり、より好ましくは130〜250質量%であり、さらに好ましくは150〜200質量%である。触媒成分の含有率が100質量%以上であると、電極触媒の触媒製能が充分に発揮され、ひいてはPEFC100の発電性能の向上に寄与しうる。一方、触媒成分の含有率が300質量%以下であると、導電性担体の表面における触媒成分どうしの凝集が抑制され、触媒成分が高分散担持されるため、好ましい。なお、上述した含有量の比の値としては、ICP発光分析法により測定される値を採用するものとする。   The ratio of the content of the conductive support and the catalyst component in the electrode catalyst is not particularly limited. However, the content (supported amount) of the catalyst component is preferably 110 to 300% by mass, more preferably 130 to 250% by mass, and further preferably 150 to 200% based on 100% by mass of the conductive carrier. % By mass. When the content of the catalyst component is 100% by mass or more, the catalyst-producing ability of the electrode catalyst is sufficiently exerted, which can contribute to the improvement of the power generation performance of PEFC100. On the other hand, the catalyst component content of 300% by mass or less is preferable because aggregation of the catalyst components on the surface of the conductive support is suppressed and the catalyst components are highly dispersed and supported. In addition, as a value of the ratio of content mentioned above, the value measured by ICP emission spectrometry shall be employ | adopted.

カソード触媒層122cは、上述した電極触媒に加えて、アイオノマをさらに含む。カソード触媒層122cに含まれるアイオノマの具体的な形態に特に制限はなく、燃料電池の技術分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、カソード触媒層122cに含まれるアイオノマとしては、上述した固体高分子電解質膜110を構成するアイオノマが同様に用いられうる。そのため、アイオノマの具体的な形態の詳細はここでは省略する。なお、カソード触媒層122cに含まれるアイオノマは、1種単独であってもよいし、2種以上であってもよい。   The cathode catalyst layer 122c further includes an ionomer in addition to the electrode catalyst described above. The specific form of the ionomer contained in the cathode catalyst layer 122c is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the technical field of fuel cells. For example, as the ionomer included in the cathode catalyst layer 122c, the ionomer that constitutes the above-described solid polymer electrolyte membrane 110 can be similarly used. Therefore, details of the specific form of the ionomer are omitted here. In addition, the ionomer contained in the cathode catalyst layer 122c may be one kind alone, or two or more kinds.

カソード触媒層122cに含まれるアイオノマのイオン交換容量は、イオン伝導性に優れるという観点から、0.9〜1.5mmol/gであることが好ましく、1.1〜1.5mmol/gであることがより好ましい。   The ion exchange capacity of the ionomer contained in the cathode catalyst layer 122c is preferably 0.9 to 1.5 mmol / g, and preferably 1.1 to 1.5 mmol / g, from the viewpoint of excellent ion conductivity. Is more preferable.

なお、アイオノマの「イオン交換容量」とは、アイオノマの単位乾燥質量当りのスルホン酸基のモル数を意味する。「イオン交換容量」の値は、アイオノマ分散液の分散媒を加熱乾燥等により除去して固形の高分子電解質とし、これを中和滴定することにより、算出されうる。   The “ion exchange capacity” of an ionomer means the number of moles of sulfonic acid groups per unit dry mass of the ionomer. The value of “ion exchange capacity” can be calculated by removing the dispersion medium of the ionomer dispersion by heat drying or the like to obtain a solid polymer electrolyte, and performing neutralization titration.

カソード触媒層122cにおけるアイオノマの含有量についても特に制限はない。ただし、カソード触媒層122cにおける導電性担体の含有量に対するアイオノマの含有量の比(アイオノマ/導電性担体の質量比)は、好ましくは0.5〜2.0であり、より好ましくは0.7〜1.5であり、さらに好ましくは0.9〜1.3である。アイオノマ/導電性担体の質量比が0.9以上であると、膜電極接合体の内部抵抗の抑制という観点から好ましい。一方、アイオノマ/導電性担体の質量比が1.3以下であると、フラッディングの抑制という観点から好ましい。   There is no particular limitation on the ionomer content in the cathode catalyst layer 122c. However, the ratio of the ionomer content to the conductive carrier content in the cathode catalyst layer 122c (ionomer / conductive carrier mass ratio) is preferably 0.5 to 2.0, more preferably 0.7. It is -1.5, More preferably, it is 0.9-1.3. The mass ratio of ionomer / conductive carrier is preferably 0.9 or more from the viewpoint of suppressing the internal resistance of the membrane / electrode assembly. On the other hand, an ionomer / conductive carrier mass ratio of 1.3 or less is preferable from the viewpoint of suppressing flooding.

カソードガス拡散層124cは、上述したカソード触媒層122cの、固体高分子電解質膜110と対向する面に配置される。カソードガス拡散層124cは、後述するセパレータの有するガス流路を介して供給された酸化剤ガスのカソード触媒層122cへの拡散を促進させる機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。   The cathode gas diffusion layer 124c is disposed on the surface of the cathode catalyst layer 122c described above facing the solid polymer electrolyte membrane 110. The cathode gas diffusion layer 124c has a function of promoting the diffusion of the oxidant gas supplied through a gas flow path of the separator described later to the cathode catalyst layer 122c and a function as an electron conduction path.

カソードガス拡散層124cの基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The material constituting the base material of the cathode gas diffusion layer 124c is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

カソードガス拡散電極120cは、必要に応じて、他の部材(層)をさらに含んでもよい。例えば、カソード触媒層122cに存在する過剰な水分の排出を促進させてフラッディング現象の発生を抑制するために、カソードガス拡散層124cは、カーボン粒子を含むカーボン粒子層を基材の触媒層側に有してもよい。   The cathode gas diffusion electrode 120c may further include other members (layers) as necessary. For example, in order to promote the discharge of excess moisture present in the cathode catalyst layer 122c and suppress the occurrence of the flooding phenomenon, the cathode gas diffusion layer 124c has a carbon particle layer containing carbon particles on the catalyst layer side of the substrate. You may have.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

カーボン粒子層は撥水剤を含んでもよい。撥水剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。   The carbon particle layer may contain a water repellent. Examples of the water repellent include fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples include polypropylene and polyethylene. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

[アノードガス拡散電極]
アノードガス拡散電極120aは、アノード触媒層122aとアノードガス拡散層124aとから構成される。
[Anode gas diffusion electrode]
The anode gas diffusion electrode 120a includes an anode catalyst layer 122a and an anode gas diffusion layer 124a.

アノード触媒層122aは、触媒成分が担持されてなる電極触媒、およびアイオノマを含む層である。   The anode catalyst layer 122a is a layer containing an electrode catalyst on which a catalyst component is supported and an ionomer.

アノード触媒層122aにおいて、電極触媒は、燃料ガス由来の水素(H)を、プロトン(H)および電子(e)とする反応(すなわち、水素の酸化反応)を促進する機能を有する。 In the anode catalyst layer 122a, the electrode catalyst has a function of promoting a reaction in which hydrogen (H 2 ) derived from fuel gas is converted into protons (H + ) and electrons (e ) (that is, hydrogen oxidation reaction).

アノード触媒層122aを構成する電極触媒やアイオノマの具体的な形態については、カソード触媒層122cの欄において上述した形態が同様に採用されうる。従って、ここでは詳細な説明を省略する。なお、カソード触媒層122cとアノード触媒層122aとで、触媒層を構成する電極触媒やアイオノマの具体的な形態は同じであってもよいし、異なってもよい。   As for the specific forms of the electrode catalyst and ionomer constituting the anode catalyst layer 122a, the forms described above in the column of the cathode catalyst layer 122c can be similarly adopted. Therefore, detailed description is omitted here. The cathode catalyst layer 122c and the anode catalyst layer 122a may have the same or different specific forms of electrode catalyst and ionomer that constitute the catalyst layer.

本実施形態のMEA100において、アノード触媒層122aの平均厚み(Ya)は、カソード触媒層122cの平均厚み(Yc)よりも小さいことが好ましい。YaがYcよりも小さいことにより、カソード触媒層122cへのプロトン伝導が向上する。具体的には、Ya/Ycは、好ましくは0.1〜0.9であり、より好ましくは0.2〜0.5である。なお、アノード触媒層122aの平均厚みは、好ましくは1.0〜20.0μmであり、より好ましくは2.0〜5.0μmである。なお、触媒層の厚みの値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)により触媒層断面を観察して得られた値を採用するものとする。   In the MEA 100 of the present embodiment, the average thickness (Ya) of the anode catalyst layer 122a is preferably smaller than the average thickness (Yc) of the cathode catalyst layer 122c. When Ya is smaller than Yc, proton conduction to the cathode catalyst layer 122c is improved. Specifically, Ya / Yc is preferably 0.1 to 0.9, and more preferably 0.2 to 0.5. In addition, the average thickness of the anode catalyst layer 122a is preferably 1.0 to 20.0 μm, and more preferably 2.0 to 5.0 μm. In addition, as a value of the thickness of the catalyst layer, a value obtained by observing a cross section of the catalyst layer with a scanning electron microscope (SEM) is adopted.

本実施形態のMEA100において、アノード触媒層122aは、単層構造を有することが好ましい。これは、アノード触媒層122aはカソード触媒層122cに比べて、電解質膜側とガス拡散層側とで反応性の差が小さいため、特に複数層とする必要がなく、また、単層とすることで複数層にすることによる層平均厚みの増加を回避できるためである。ただし、アノード触媒層122aが2層以上の触媒層からなる積層構造を有する形態もまた、本発明の技術的範囲に包含される。   In the MEA 100 of the present embodiment, the anode catalyst layer 122a preferably has a single layer structure. This is because the anode catalyst layer 122a has a smaller difference in reactivity between the electrolyte membrane side and the gas diffusion layer side than the cathode catalyst layer 122c. This is because an increase in the layer average thickness due to the use of a plurality of layers can be avoided. However, embodiments in which the anode catalyst layer 122a has a laminated structure including two or more catalyst layers are also included in the technical scope of the present invention.

アノードガス拡散電極120aを構成するアノードガス拡散層124aの具体的な形態については、カソードガス拡散電極120cを構成するカソードガス拡散層124cの欄において上述した形態が同様に採用されうる。従って、ここでは詳細な説明を省略する。また、アノードガス拡散電極120aが、必要に応じてカーボン粒子層などの部材(層)をさらに含んでもよいこともまた、上述したカソードガス拡散電極120cと同様である。   As for a specific form of the anode gas diffusion layer 124a constituting the anode gas diffusion electrode 120a, the form described above in the column of the cathode gas diffusion layer 124c constituting the cathode gas diffusion electrode 120c can be similarly adopted. Therefore, detailed description is omitted here. In addition, the anode gas diffusion electrode 120a may further include a member (layer) such as a carbon particle layer as necessary, similarly to the cathode gas diffusion electrode 120c described above.

[塩素捕捉層]
本実施形態のMEA100においては、上述した通り、固体高分子電解質膜110の内部に、塩素捕捉層180(180c、180a)が配置されている。この塩素捕捉層は、PEFCの運転時に供給されるガスに含まれる塩素(塩化物イオン)を捕捉する機能を有する。塩素捕捉層180がかような機能を発揮することで、白金バンドにおいて析出する白金への塩素の吸着が抑制され、白金バンドにおける過酸化水素の生成が抑制される結果、固体高分子電解質膜110の劣化が緩和され、PEFCの耐久性が向上しうる。なお、後述するように、本発明においては、MEAを構成する固体高分子電解質膜110以外の部材に塩素捕捉層が配置されてもよいが、図3に示すように固体高分子電解質膜110の内部に塩素捕捉層が配置されることが好ましい。これは以下の理由による。すなわち、固体高分子電解質膜110の内部に塩素捕捉層を配置することで、塩素捕捉層に含まれる塩素捕捉材の表面の大部分が水分と接触可能となる。供給ガス由来の塩化物イオンがMEA中を移動する際には水分子を同伴すると考えられていることから、塩素捕捉材による塩化物イオンの捕捉効率が向上しうるのである。
[Chlorine capture layer]
In the MEA 100 of the present embodiment, the chlorine capturing layer 180 (180c, 180a) is disposed inside the solid polymer electrolyte membrane 110 as described above. This chlorine trapping layer has a function of trapping chlorine (chloride ions) contained in the gas supplied during operation of the PEFC. Since the chlorine trapping layer 180 exhibits such a function, the adsorption of chlorine to the platinum deposited in the platinum band is suppressed, and the generation of hydrogen peroxide in the platinum band is suppressed. As a result, the solid polymer electrolyte membrane 110 The deterioration of PEFC can be alleviated and the durability of PEFC can be improved. As will be described later, in the present invention, a chlorine scavenging layer may be disposed on a member other than the solid polymer electrolyte membrane 110 constituting the MEA. However, as shown in FIG. It is preferable that a chlorine capturing layer is disposed inside. This is due to the following reason. That is, by disposing the chlorine trapping layer inside the solid polymer electrolyte membrane 110, most of the surface of the chlorine trapping material contained in the chlorine trapping layer can come into contact with moisture. Since chloride ions derived from the supply gas are thought to accompany water molecules when moving through the MEA, the efficiency of capturing chloride ions by the chlorine scavenger can be improved.

塩素捕捉層180は塩素捕捉材を含む。塩素捕捉材を構成する材料について特に制限はなく、PEFCの運転時に供給されるガスに含まれる塩素(塩化物イオン)を捕捉可能な材料であれば適宜採用されうる。塩素捕捉材の構成材料としては、例えば、活性炭、木炭、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素材料のほか、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、酸化スズ、ゼオライトなどのセラミックスが挙げられる。なかでも、固体高分子電解質膜110の内部における保水効果が発揮されて、乾燥条件下での発電性能が維持され、零下起動性が向上するといった観点からは、塩素捕捉材として活性炭、ゼオライトが好ましく、活性炭がより好ましい。   The chlorine capturing layer 180 includes a chlorine capturing material. There is no restriction | limiting in particular about the material which comprises a chlorine capture | acquisition material, If it is a material which can capture | acquire the chlorine (chloride ion) contained in the gas supplied at the time of operation | movement of PEFC, it can employ | adopt suitably. Examples of the constituent material of the chlorine scavenger include carbon materials such as activated carbon, charcoal, carbon black, fullerene, and carbon nanotubes, and ceramics such as alumina, silica, zirconia, titania, tin oxide, and zeolite. Of these, activated carbon and zeolite are preferred as the chlorine-capturing material from the viewpoint that the water retention effect inside the solid polymer electrolyte membrane 110 is exhibited, power generation performance under dry conditions is maintained, and start-up performance below zero is improved. More preferred is activated carbon.

塩素捕捉層180の厚さについても特に制限はなく、PEFCの発電性能に影響を及ぼさない範囲で適宜設定されうる。一例を挙げると、塩素捕捉層180の厚さは、好ましくは0.1〜30μmであり、より好ましくは0.5〜20μmであり、さらに好ましくは0.5〜10μmである。塩素捕捉層180の厚さが0.1μm以上であれば、塩素捕捉層を配置したことによる作用効果が充分に発揮されうる。一方、塩素捕捉層180の厚さが30μm以下であれば、電解質膜をなるべく薄化することによって装置の小型化を図り、低加湿運転性を向上させるという観点から好ましい。なお、本発明のMEA100において、配置される塩素捕捉層の数は1層のみであってもよいが、複数層であってもよい。複数層の塩素捕捉層が配置される場合、「塩素捕捉層の厚さ」とは、それぞれの塩素捕捉層の厚さを意味する。   The thickness of the chlorine capturing layer 180 is not particularly limited, and can be appropriately set within a range that does not affect the power generation performance of the PEFC. As an example, the thickness of the chlorine capturing layer 180 is preferably 0.1 to 30 μm, more preferably 0.5 to 20 μm, and further preferably 0.5 to 10 μm. If the thickness of the chlorine trapping layer 180 is 0.1 μm or more, the operational effect due to the arrangement of the chlorine trapping layer can be sufficiently exhibited. On the other hand, if the thickness of the chlorine trapping layer 180 is 30 μm or less, it is preferable from the viewpoint of reducing the size of the apparatus by thinning the electrolyte membrane as much as possible and improving low humidification operability. In the MEA 100 of the present invention, the number of chlorine capturing layers arranged may be only one layer, but may be a plurality of layers. In the case where a plurality of chlorine trapping layers are arranged, the “thickness of the chlorine trapping layer” means the thickness of each chlorine trapping layer.

また、塩素捕捉層180に存在する塩素捕捉材の、面内(2次元方向)における密度について、特に制限はない。また、当該密度は測定される材料の比表面積に依存して変動しうるため、一義的に規定することは困難であるが、塩素捕捉層180において積層方向に塩素が捕捉される確率(捕捉率)や、塩素捕捉層180における積層方向のプロトン伝導性などを考慮すると、概ね0.1〜50体積%程度であり、好ましくは0.5〜40体積%であり、より好ましくは1〜30体積%である。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular about the density in a surface (two-dimensional direction) of the chlorine capture | acquisition material which exists in the chlorine capture | acquisition layer 180. FIG. In addition, since the density can vary depending on the specific surface area of the material to be measured, it is difficult to define it unambiguously. However, the probability of trapping chlorine in the stacking direction in the chlorine trapping layer 180 (trapping rate). ), And proton conductivity in the stacking direction in the chlorine trapping layer 180 is approximately 0.1 to 50% by volume, preferably 0.5 to 40% by volume, more preferably 1 to 30% by volume. %.

本実施形態のMEA100においては、図3に示すように、析出予想面のカソード側に、カソード触媒層122cと隣接しないように、塩素捕捉層180cが配置されている。かような形態によれば、カソード触媒層122cと塩素捕捉層180cとの間に、塩素捕捉材を含まない固体高分子電解質膜110が存在することとなる。塩素捕捉層180cは塩素のみならず水も保持しやすい性質が多く、保水性の高い塩素捕捉層180cがカソード触媒層122cと隣接しないことから、カソードガス拡散電極120cにおけるフラッディング現象の発生が抑制され、PEFCの発電性能の低下が防止されうる。ただし、かような形態のみには制限されず、析出予想面のカソード側に配置される塩素捕捉層180cがカソード触媒層122cと隣接する形態もまた、採用されうる。   In the MEA 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, a chlorine capturing layer 180c is disposed on the cathode side of the predicted precipitation surface so as not to be adjacent to the cathode catalyst layer 122c. According to such a form, the solid polymer electrolyte membrane 110 that does not contain a chlorine trapping material exists between the cathode catalyst layer 122c and the chlorine trapping layer 180c. The chlorine trapping layer 180c has many properties that easily hold not only chlorine but also water, and the chlorine trapping layer 180c having high water retention is not adjacent to the cathode catalyst layer 122c, so that occurrence of flooding phenomenon in the cathode gas diffusion electrode 120c is suppressed. , PEFC power generation performance can be prevented from decreasing. However, the present invention is not limited to such a form, and a form in which the chlorine capturing layer 180c disposed on the cathode side of the predicted precipitation surface is adjacent to the cathode catalyst layer 122c can also be adopted.

また、本実施形態のMEA100においては、図3に示すように、析出予想面のアノード側に、アノード触媒層122aと隣接するように、塩素捕捉層180aが配置されている。かような形態によれば、塩素捕捉層180aは塩素のみならず水も保持しやすい性質が多く、保水性の高い塩素捕捉層180aがアノード触媒層122aと隣接することから、アノードガス拡散電極120aにおけるドライアウト現象の発生が抑制され、PEFCの発電性能の低下が抑制されうる。   Further, in the MEA 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, a chlorine capturing layer 180a is disposed on the anode side of the predicted precipitation surface so as to be adjacent to the anode catalyst layer 122a. According to such a configuration, the chlorine trapping layer 180a has many properties that easily hold not only chlorine but also water, and the chlorine trapping layer 180a having high water retention is adjacent to the anode catalyst layer 122a. Occurrence of the dry-out phenomenon in can be suppressed, and the decrease in the power generation performance of PEFC can be suppressed.

以上、固体高分子電解質膜110の内部に塩素捕捉層180が配置されている第1実施形態のMEAを例に挙げて、本発明のMEAを詳細に説明したが、MEAを構成する固体高分子電解質膜110以外の部材、すなわち、ガス拡散電極を構成する触媒層やガス拡散層に、塩素捕捉層が配置されてもよい。具体的には、例えば、図5に示すような、ガス拡散電極を構成する触媒層(カソード触媒層122c、アノード触媒層122a)に塩素捕捉層180(180c、180a)が配置される形態や、図6に示すような、ガス拡散電極を構成するガス拡散層(カソードガス拡散層124c、アノードガス拡散層124a)に塩素捕捉層180(180c、180a)が配置される形態が挙げられる。なお、図5や図6においては、触媒層やガス拡散層の全体がそのまま塩素捕捉層となる形態が図示されているが、かような形態のみには制限されず、図3において固体高分子電解質膜110の一部に塩素捕捉層180が配置されているのと同様に、触媒層やガス拡散層の一部のみに塩素捕捉層が配置される形態もまた、採用されうる。また、図示されているような、カソード触媒層およびアノード触媒層の双方に塩素捕捉層が配置される形態や、カソードガス拡散層およびアノードガス拡散層の双方に塩素捕捉層が配置される形態以外にも、カソード側またはアノード側のいずれか一方のみに塩素捕捉層が配置される形態もまた、採用されうる。   The MEA of the present invention has been described above in detail by taking the MEA of the first embodiment in which the chlorine capturing layer 180 is disposed inside the solid polymer electrolyte membrane 110 as an example. A chlorine capturing layer may be disposed on a member other than the electrolyte membrane 110, that is, a catalyst layer or a gas diffusion layer that constitutes the gas diffusion electrode. Specifically, for example, as shown in FIG. 5, a form in which the chlorine capturing layer 180 (180c, 180a) is disposed on the catalyst layer (cathode catalyst layer 122c, anode catalyst layer 122a) constituting the gas diffusion electrode, As shown in FIG. 6, there may be mentioned a form in which the chlorine capturing layer 180 (180c, 180a) is disposed in the gas diffusion layer (cathode gas diffusion layer 124c, anode gas diffusion layer 124a) constituting the gas diffusion electrode. 5 and 6 show a form in which the entire catalyst layer and gas diffusion layer are directly used as a chlorine capturing layer. However, the present invention is not limited to such a form. In FIG. Similarly to the case where the chlorine capturing layer 180 is disposed on a part of the electrolyte membrane 110, a form in which the chlorine capturing layer is disposed only on a part of the catalyst layer or the gas diffusion layer can also be adopted. Further, as shown in the figure, other than the form in which the chlorine capturing layer is disposed in both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the form in which the chlorine capturing layer is disposed in both the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer. In addition, a configuration in which the chlorine capturing layer is disposed only on either the cathode side or the anode side can also be adopted.

本発明のMEAにおける塩素捕捉層180の作製方法について特に制限はなく、従来公知の知見を参照することにより適宜作製可能である。以下、かような塩素捕捉層の作製方法の一例を説明するが、下記の形態のみに本発明の技術的範囲が限定されることはない。   There is no restriction | limiting in particular about the preparation methods of the chlorine capture layer 180 in MEA of this invention, It can produce suitably by referring a conventionally well-known knowledge. Hereinafter, although an example of the preparation method of such a chlorine capture layer is demonstrated, the technical scope of this invention is not limited only to the following form.

まず、塩素捕捉材を準備する。準備した塩素捕捉材には、粒径を制御するなどの目的で、必要に応じて粉砕処理などを施してもよい。一方、電解質が溶解した溶液(電解質溶液)を準備する。前記電解質としては、固体高分子電解質膜を構成する電解質として上述した形態が同様に採用されうる。電解質溶液の電解質と、固体高分子電解質膜を構成する電解質とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。そして、準備した電解質溶液に、同様に準備した塩素捕捉材を混合して、捕捉材溶液とする。この捕捉材溶液には、必要に応じて、撹拌脱泡処理や超音波処理などを施してもよい。調製される捕捉材溶液における電解質や塩素捕捉材の含有量を調節することにより、作製される塩素捕捉層の密度が制御されうる。   First, a chlorine capture material is prepared. The prepared chlorine-capturing material may be pulverized as necessary for the purpose of controlling the particle size. On the other hand, a solution (electrolyte solution) in which the electrolyte is dissolved is prepared. As said electrolyte, the form mentioned above as an electrolyte which comprises a solid polymer electrolyte membrane can be employ | adopted similarly. The electrolyte of the electrolyte solution and the electrolyte constituting the solid polymer electrolyte membrane may be the same or different. And the prepared chlorine capture | acquisition material is mixed with the prepared electrolyte solution, and it is set as a capture | acquisition material solution. The trapping material solution may be subjected to stirring defoaming treatment, ultrasonic treatment, or the like as necessary. By adjusting the content of the electrolyte and chlorine trapping material in the prepared trapping material solution, the density of the prepared chlorine trapping layer can be controlled.

次いで、別途準備した固体高分子電解質膜の表面に、所望の量の捕捉材溶液を所望のサイズおよび厚さが得られるようにキャストし、その後必要に応じて乾燥させ、最後に固化させることにより、固体高分子電解質膜に隣接するように塩素捕捉層を作製することが可能である。そして、得られた塩素捕捉層上に、さらに常法によって触媒層やガス拡散層を順次形成することにより、MEAが製造されうる。   Next, a desired amount of a capturing material solution is cast on the surface of a separately prepared solid polymer electrolyte membrane so as to obtain a desired size and thickness, then dried as necessary, and finally solidified. It is possible to produce a chlorine scavenging layer adjacent to the solid polymer electrolyte membrane. And MEA can be manufactured by forming a catalyst layer and a gas diffusion layer one by one by a conventional method further on the obtained chlorine capture layer.

なお、図3に示す形態のカソード側のように、塩素捕捉層180と触媒層122との間に塩素捕捉材を含まない電解質層(電解質膜)が存在するMEAを作製する場合には、上記の手法により作製した塩素捕捉層上に、塩素捕捉材を含まない電解質溶液をさらにキャストし、その後必要に応じて乾燥および固化させて塩素捕捉材を含まない電解質層(電解質膜)をさらに形成すればよい。そして、得られた積層体上に、さらに常法によって触媒層やガス拡散層を順次形成することにより、MEAが製造されうる。   In the case of producing an MEA in which an electrolyte layer (electrolyte film) that does not include a chlorine scavenger is present between the chlorine trap layer 180 and the catalyst layer 122 as in the cathode side of the form shown in FIG. An electrolyte solution that does not contain a chlorine scavenger is further cast on the chlorine scavenger layer produced by the above method, and then dried and solidified as necessary to further form an electrolyte layer (electrolyte membrane) that does not contain a chlorine scavenger. That's fine. And MEA can be manufactured by forming a catalyst layer and a gas diffusion layer one by one by a conventional method further on the obtained layered product.

また、第1実施形態のMEAの変形例として、例えば、図7に示す形態のMEAが挙げられる。図7に示す形態のMEA100においては、固体高分子電解質膜110に補強層140(カソード側補強層140c、アノード側補強層140a)が配置されている。この補強層140は補強材を含み、固体高分子電解質膜110の物理的強度を向上させる機能を有する。図7に示す形態においては、補強層140に含まれる補強材に、塩素捕捉材が担持されている。図7に示す形態によれば、第1実施形態のMEAと同様の過酸化水素の生成抑制効果やこれに伴う電解質膜の劣化緩和効果が発揮されることは勿論である。これに加えて、固体高分子電解質膜110の強度が向上するという効果や、予め補強材に塩素捕捉材を担持した後に当該補強材を電解質膜に配置すればよいため、電解質膜内での塩素捕捉層の配置位置の制御が容易になるという別の作用効果も発揮されうる。   Moreover, as a modification of the MEA of the first embodiment, for example, an MEA having the form shown in FIG. In the MEA 100 having the form shown in FIG. 7, reinforcing layers 140 (cathode side reinforcing layer 140 c and anode side reinforcing layer 140 a) are disposed on the solid polymer electrolyte membrane 110. The reinforcing layer 140 includes a reinforcing material and has a function of improving the physical strength of the solid polymer electrolyte membrane 110. In the form shown in FIG. 7, a chlorine capturing material is supported on the reinforcing material included in the reinforcing layer 140. According to the form shown in FIG. 7, it goes without saying that the effect of suppressing the production of hydrogen peroxide similar to that of the MEA of the first embodiment and the effect of mitigating deterioration of the electrolyte membrane accompanying this are exhibited. In addition to this, the effect of improving the strength of the solid polymer electrolyte membrane 110 and the fact that the reinforcing material may be disposed on the electrolyte membrane after the chlorine-capturing material is previously supported on the reinforcing material. Another function and effect of facilitating control of the arrangement position of the trapping layer can also be exhibited.

補強層140を構成する補強材の具体的な形態について特に制限はなく、電解質膜の補強層(補強材)として従来公知の知見が適宜参照されうる。補強材として従来公知の材料としては、例えば、特開平8−162132号公報に記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質体などが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular about the specific form of the reinforcing material which comprises the reinforcing layer 140, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably as a reinforcing layer (reinforcing material) of an electrolyte membrane. Examples of the conventionally known material as the reinforcing material include, for example, a polytetrafluoroethylene porous material described in JP-A-8-162132.

かような形態のMEAを製造するには、まず、上述したのと同様に、塩素捕捉材および電解質溶液を準備し、捕捉材溶液を調製する。そして、調製した捕捉材溶液に補強材を浸漬させることで当該溶液を吸引させ、塩素捕捉材を補強材に担持させる。なお、捕捉材溶液を補強材に担持させる工程の制御性向上などの目的で、当該溶液に界面活性剤を添加してもよい。その後、必要に応じて乾燥させ、最後に固化させることにより、塩素捕捉材を担持した補強材が固体高分子電解質膜に隣接するように配置される。そして、得られた積層体上に、さらに常法によって触媒層やガス拡散層を順次形成することにより、MEAが製造されうる。   In order to produce such a form of MEA, first, as described above, a chlorine scavenger and an electrolyte solution are prepared, and a scavenger solution is prepared. Then, the reinforcing material is immersed in the prepared capturing material solution to suck the solution, and the chlorine capturing material is supported on the reinforcing material. Note that a surfactant may be added to the solution for the purpose of improving the controllability of the step of supporting the capturing material solution on the reinforcing material. Thereafter, the reinforcing material carrying the chlorine-capturing material is disposed so as to be adjacent to the solid polymer electrolyte membrane by drying as necessary and finally solidifying. And MEA can be manufactured by forming a catalyst layer and a gas diffusion layer one by one by a conventional method further on the obtained layered product.

さらに、第1実施形態のMEAの他の変形例として、例えば、図8に示す形態のMEAが挙げられる。図8に示す形態のMEA100においては、電解質膜に配置された2つの塩素捕捉層(180c、180a)に加えて、電解質膜の全体に塩素捕捉材が分散しており、塩素捕捉材が分散した固体高分子電解質膜110’が形成されている。図8に示す形態によれば、第1実施形態のMEAと同様の過酸化水素の生成抑制効果やこれに伴う電解質膜の劣化緩和効果が発揮されることは勿論である。これに加えて、固体高分子電解質膜110の内部における保水効果が発揮されて、乾燥条件下での発電性能が維持され、零下起動性が向上するという別の作用効果も発揮されうる。なお、図8に示す形態においては、塩素捕捉層に加えて電解質膜の全体に塩素捕捉材が分散している例が図示されているが、本発明の技術的範囲はかような形態のみには制限されない。例えば、ガス拡散電極を構成する触媒層やガス拡散層に塩素捕捉材が分散している形態もまた、採用されうる。   Furthermore, as another modified example of the MEA of the first embodiment, for example, an MEA having a form shown in FIG. In the MEA 100 of the form shown in FIG. 8, in addition to the two chlorine trap layers (180c, 180a) disposed on the electrolyte membrane, the chlorine trap material is dispersed throughout the electrolyte membrane, and the chlorine trap material is dispersed. A solid polymer electrolyte membrane 110 ′ is formed. According to the form shown in FIG. 8, it is needless to say that the effect of suppressing the production of hydrogen peroxide similar to that of the MEA of the first embodiment and the effect of mitigating the deterioration of the electrolyte membrane associated therewith are exhibited. In addition to this, the water retention effect inside the solid polymer electrolyte membrane 110 is exhibited, and the power generation performance under the dry condition is maintained, and another operational effect that the sub-zero startability is improved can also be exhibited. In the embodiment shown in FIG. 8, an example in which the chlorine capturing material is dispersed throughout the electrolyte membrane in addition to the chlorine capturing layer is illustrated, but the technical scope of the present invention is limited to such a form. Is not limited. For example, a mode in which a chlorine trapping material is dispersed in a catalyst layer or a gas diffusion layer constituting a gas diffusion electrode can also be adopted.

電解質膜の全体に塩素捕捉材が分散した形態のMEAを製造するには、上述した捕捉材溶液をキャストすることにより得られる膜を、MEAの固体高分子電解質膜として用いればよい。また、触媒層に塩素捕捉材が分散した形態のMEAを製造するには、触媒層の形成に通常用いられている、電極触媒やアイオノマを含有する触媒インクに、塩素捕捉材を所望の量だけ添加し、あとは常法に従って触媒層を形成すればよい。さらに、ガス拡散層に塩素捕捉材を分散させるには、塩素捕捉材を分散させた溶液に当該基材を含浸させ、その後に乾燥させればよい。当該溶液の溶媒としては、水、アルコール、水とアルコールとの混合物などが挙げられる。また、当該溶液には、必要であれば界面活性剤が含まれてもよい。このようにして得られた捕捉材担持基材を用い、常法によりMEAが製造されうる。なお、ガス拡散基材のみならず、カーボン粒子層が設けられる場合には、カーボン粒子層に塩素捕捉材を分散させてもよい。かような形態のカーボン粒子層は、カーボン粒子層を形成する際に、カーボン粒子に加えて所望の量の塩素捕捉材をさらに添加すればよい。また、ガス拡散基材やカーボン粒子層に塩素捕捉材を分散させる場合には、塩素捕捉材の分散後に焼成等の目的で、乾燥工程よりも高温での熱処理を施してもよい。   In order to produce an MEA in which a chlorine scavenger is dispersed throughout the electrolyte membrane, a membrane obtained by casting the scavenger solution described above may be used as the MEA solid polymer electrolyte membrane. In addition, in order to produce MEA in which a chlorine scavenger is dispersed in a catalyst layer, a desired amount of chlorine scavenger is added to a catalyst ink containing an electrode catalyst or ionomer that is usually used for forming a catalyst layer. Then, the catalyst layer may be formed according to a conventional method. Furthermore, in order to disperse the chlorine trapping material in the gas diffusion layer, the substrate may be impregnated with a solution in which the chlorine trapping material is dispersed and then dried. Examples of the solvent of the solution include water, alcohol, a mixture of water and alcohol, and the like. Further, the solution may contain a surfactant if necessary. MEA can be produced by a conventional method using the thus obtained capture material-supporting substrate. In addition, when not only a gas diffusion base material but a carbon particle layer is provided, you may disperse | distribute a chlorine capture | acquisition material in a carbon particle layer. The carbon particle layer having such a form may be added with a desired amount of a chlorine scavenger in addition to the carbon particles when the carbon particle layer is formed. Further, when the chlorine scavenger is dispersed in the gas diffusion base material or the carbon particle layer, heat treatment at a temperature higher than that in the drying step may be performed for the purpose of firing after the chlorine scavenger is dispersed.

(第2実施形態)
続いて、第2実施形態を説明する。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described.

第2実施形態では、第1実施形態のMEAを用いて、固体高分子形燃料電池(PEFC)を構成する。   In the second embodiment, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is configured using the MEA of the first embodiment.

図9は、第2実施形態の固体高分子形燃料電池(PEFC)の模式断面図である。なお、図9にはPEFCの単セルが図示されている。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) of the second embodiment. FIG. 9 shows a single cell of PEFC.

図9に示すPEFC200は、第1実施形態のMEA100を有する。そして、PEFC200においてMEA100は、カソードセパレータ150cおよびアノードセパレータ150aからなる1対のセパレータにより挟持されている。ここで、カソードセパレータ150cのカソードガス拡散層124c側表面には、運転時に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路152cが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。一方、アノード側セパレータ150aのアノード側ガス拡散層124a側表面には、運転時に燃料ガスが流通する燃料ガス流路152aが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。そして、PEFC200の周囲には、1対のガス拡散電極(120c,120a)を包囲するように、ガスケット160が配置されている。   A PEFC 200 illustrated in FIG. 9 includes the MEA 100 according to the first embodiment. In the PEFC 200, the MEA 100 is sandwiched between a pair of separators including a cathode separator 150c and an anode separator 150a. Here, the cathode gas diffusion layer 124c surface of the cathode separator 150c is provided with an oxidant gas flow path 152c through which oxidant gas flows during operation, and coolant flows through the opposite surface during operation. A cooling flow path (not shown) is provided. On the other hand, the anode gas diffusion layer 124a side surface of the anode separator 150a is provided with a fuel gas flow path 152a through which fuel gas flows during operation, and the coolant flows through the opposite surface during operation. A cooling channel (not shown) is provided. A gasket 160 is disposed around the PEFC 200 so as to surround the pair of gas diffusion electrodes (120c, 120a).

[セパレータ]
セパレータ(150c、150a)は、PEFC200等の燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。そのため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられている。
[Separator]
The separators (150c, 150a) have a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as PEFC 200 are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. Therefore, as described above, each separator is provided with a gas flow path and a cooling flow path.

セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボンや、ステンレス等の金属など、従来公知の材料が適宜制限なく用いられうる。   As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately used without limitation.

セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られるPEFCの所望の出力特性などを考慮して適宜決定されうる。   The thickness and size of the separator and the shape and size of each channel provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained PEFC.

[ガスケット]
ガスケット160は、1対のガス拡散電極(120c,120a)を包囲するようにPEFC200の周囲に配置され、触媒層に供給されたガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
[gasket]
The gasket 160 is disposed around the PEFC 200 so as to surround the pair of gas diffusion electrodes (120c, 120a), and has a function of preventing the gas supplied to the catalyst layer from leaking to the outside.

ガスケット160を構成する材料としては、特に制限はないが、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスケットの厚さにも特に制限はなく、好ましくは50μm〜2mmであり、より好ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。   The material constituting the gasket 160 is not particularly limited, but rubber materials such as fluorine rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) Fluorine polymer materials such as polyhexafluoropropylene and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also in the thickness of a gasket, Preferably it is 50 micrometers-2 mm, More preferably, what is necessary is just to be about 100 micrometers-1 mm.

(第3実施形態)
続いて、第3実施形態を説明する。
(Third embodiment)
Subsequently, a third embodiment will be described.

第3実施形態では、第2実施形態のPEFCを用いて、燃料電池スタックを構成する。   In the third embodiment, a fuel cell stack is configured using the PEFC of the second embodiment.

参考までに、図10に、上記の第2実施形態のPEFC200が複数個電気的に直列に接続されてなる燃料電池スタック300の模式断面図を示す。   For reference, FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack 300 in which a plurality of PEFCs 200 of the second embodiment are electrically connected in series.

燃料電池スタック300は、複数個の上記第2実施形態のPEFC200が、セパレータ(150c、150a)を介して電気的に直列に接続され、両端は集電板310およびエンドプレート320で固定されている。ここで、セパレータの2つのガス流路(燃料ガス流路:152a、酸化剤ガス流路:152c)の中央には、冷却剤(冷媒)が流通するための冷却流路330が設けられている。燃料電池スタック300において電気的に直列に接続されるPEFC200の単セルの直列数を変更することで、所望の電圧の燃料電池スタック300を構成することが可能となる。なお、燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   In the fuel cell stack 300, a plurality of PEFCs 200 of the second embodiment are electrically connected in series via separators (150c, 150a), and both ends are fixed by current collector plates 310 and end plates 320. . Here, in the center of the two gas flow paths (fuel gas flow path: 152a, oxidant gas flow path: 152c) of the separator, a cooling flow path 330 for circulating a coolant (refrigerant) is provided. . By changing the number of single cells of PEFC 200 that are electrically connected in series in the fuel cell stack 300, the fuel cell stack 300 having a desired voltage can be configured. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

また、上述した本発明のPEFCや燃料電池スタックを搭載した車両も、本発明の技術的範囲に包含される。本発明のPEFCや燃料電池スタックは、出力性能に非常に優れているため、高出力を要求される車両用途に適している。   Further, a vehicle equipped with the above-described PEFC or fuel cell stack of the present invention is also included in the technical scope of the present invention. Since the PEFC and fuel cell stack of the present invention are very excellent in output performance, they are suitable for vehicle applications that require high output.

PEFC単セルに対するOCV試験後の単セルの垂直断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the vertical cross section of the single cell after the OCV test with respect to a PEFC single cell with the scanning electron microscope (SEM). 単セルの垂直断面における白金バンドを、透過型電子顕微鏡エネルギー分散型X線分析装置(TEM−EDX)により撮影した写真である。図2(a)における発光部位は白金の存在する部位を指し、図2(b)における発光部位は塩素の存在する部位を指す。It is the photograph which image | photographed the platinum band in the vertical cross section of a single cell with the transmission electron microscope energy dispersive X-ray analyzer (TEM-EDX). The light emitting site in FIG. 2A indicates a site where platinum exists, and the light emitting site in FIG. 2B indicates a site where chlorine exists. 第1実施形態の膜電極接合体(MEA)の模式断面図である。It is a schematic cross section of the membrane electrode assembly (MEA) of 1st Embodiment. OCV試験においてカソードに供給される酸化剤ガスおよびアノードに供給される燃料ガスの組成を変化させた場合の白金バンドの生成位置を、透過型電子顕微鏡(TEM)により撮影した写真である。OCV試験時のガス供給条件は、いずれも概ね常圧条件下(110kPa_abs)で、供給ガス組成(酸化剤ガス/燃料ガス)は、サンプル1:純酸素/10体積%水素含有窒素、サンプル2:純酸素/純水素、サンプル3:純水素/空気である。It is the photograph which image | photographed the production | generation position of the platinum band at the time of changing the composition of the oxidant gas supplied to a cathode in the OCV test, and the fuel gas supplied to an anode with the transmission electron microscope (TEM). The gas supply conditions at the time of the OCV test are almost normal pressure conditions (110 kPa_abs), the supply gas composition (oxidant gas / fuel gas) is as follows: Sample 1: pure oxygen / 10 volume% hydrogen-containing nitrogen, Sample 2: Pure oxygen / pure hydrogen, sample 3: pure hydrogen / air. 第1実施形態のMEAの変形例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the modification of MEA of 1st Embodiment. 第1実施形態のMEAの他の変形例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the other modification of MEA of 1st Embodiment. 第1実施形態のMEAのさらに他の変形例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the other modification of MEA of 1st Embodiment. 第1実施形態のMEAのさらに他の変形例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the other modification of MEA of 1st Embodiment. 第2実施形態の固体高分子形燃料電池(PEFC)の模式断面図である。It is a schematic cross section of the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) of 2nd Embodiment. 第2実施形態のPEFCが複数個電気的に直列に接続されてなる燃料電池スタックの模式断面図である。It is a schematic cross section of the fuel cell stack formed by electrically connecting a plurality of PEFCs of the second embodiment in series.

符号の説明Explanation of symbols

100 膜電極接合体(MEA)、
110 固体高分子電解質膜、
110’ 塩素捕捉材が分散した固体高分子電解質膜、
120a アノードガス拡散電極、
120c カソードガス拡散電極、
122a アノード触媒層、
122c カソード触媒層、
124a アノードガス拡散層、
124c カソードガス拡散層、
140 補強層、
140a アノード側補強層、
140c カソード側補強層、
150a アノード側セパレータ、
150c カソード側セパレータ、
152a 燃料ガス流路、
152c 酸化剤ガス流路、
160 ガスケット、
180 塩素捕捉層、
180a アノード側塩素捕捉層、
180c カソード側塩素捕捉層、
190 白金バンド、
200 固体高分子形燃料電池(PEFC;単セル)、
300 燃料電池スタック、
310 集電板、
320 エンドプレート、
330 冷却流路
100 membrane electrode assembly (MEA),
110 solid polymer electrolyte membrane,
110 'a solid polymer electrolyte membrane in which a chlorine scavenger is dispersed;
120a anode gas diffusion electrode,
120c cathode gas diffusion electrode,
122a anode catalyst layer,
122c cathode catalyst layer,
124a anode gas diffusion layer,
124c cathode gas diffusion layer,
140 reinforcement layer,
140a anode side reinforcing layer,
140c cathode side reinforcing layer,
150a anode side separator,
150c cathode side separator,
152a fuel gas flow path,
152c oxidant gas flow path,
160 gasket,
180 chlorine capture layer,
180a anode side chlorine capture layer,
180c cathode side chlorine capturing layer,
190 Platinum Band,
200 polymer electrolyte fuel cell (PEFC; single cell),
300 fuel cell stack,
310 current collector,
320 end plate,
330 Cooling channel

Claims (11)

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置された、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含むカソードガス拡散電極と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置された、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含むアノードガス拡散電極と、を有し、
前記固体高分子電解質膜、前記カソードガス拡散電極、または前記アノードガス拡散電極の少なくとも1つにおいて、塩素捕捉材を含む塩素捕捉層が配置されている、燃料電池用膜電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane;
A cathode gas diffusion electrode including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer, disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode gas diffusion electrode including an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane,
A fuel cell membrane electrode assembly, wherein a chlorine trapping layer containing a chlorine trapping material is disposed in at least one of the solid polymer electrolyte membrane, the cathode gas diffusion electrode, or the anode gas diffusion electrode.
燃料電池用膜電極接合体を含む燃料電池の運転時の温度条件および湿度条件下における酸素および水素に対する前記固体高分子電解質膜の透過係数をそれぞれPO2およびPH2とし、カソードに供給される酸化剤ガスにおける酸素の分圧およびアノードに供給される燃料ガスにおける水素の分圧をそれぞれpO2およびpH2とし、前記固体高分子電解質膜の厚さをLとした場合に、
前記固体高分子電解質膜と前記カソード触媒層との界面からの距離dが下記数式1:
で表される析出予想面に対してカソード側およびアノード側の双方に、前記塩素捕捉層が配置されている、請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
Oxidation supplied to the cathode with P O2 and P H2 being the permeation coefficients of the solid polymer electrolyte membrane with respect to oxygen and hydrogen under the temperature and humidity conditions during operation of the fuel cell including the membrane electrode assembly for a fuel cell the partial pressure of hydrogen in the fuel gas supplied to the partial pressure and the anode of the oxygen in the agent gas and p O2 and p H2, respectively, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane when is L,
The distance d from the interface between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer is expressed by the following formula 1:
The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the chlorine capturing layer is disposed on both the cathode side and the anode side with respect to the predicted precipitation surface represented by
前記塩素捕捉層が、前記固体高分子電解質膜の内部に配置されている、請求項1または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 chlorine capturing layer is disposed inside the solid polymer electrolyte membrane. 前記塩素捕捉層が、前記カソード触媒層と隣接しないように、前記析出予想面のカソード側に配置されている、請求項3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 3, wherein the chlorine trapping layer is disposed on the cathode side of the predicted precipitation surface so as not to be adjacent to the cathode catalyst layer. 前記塩素捕捉層が、前記アノード触媒層と隣接するように、前記析出予想面のアノード側に配置されている、請求項3または4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 3 or 4, wherein the chlorine trapping layer is disposed on the anode side of the predicted precipitation surface so as to be adjacent to the anode catalyst layer. 前記塩素捕捉層が、前記カソードガス拡散電極または前記アノードガス拡散電極の少なくとも一方の内部に配置されている、請求項1〜5のいずれか1項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 any one of claims 1 to 5, wherein the chlorine trapping layer is disposed inside at least one of the cathode gas diffusion electrode or the anode gas diffusion electrode. 前記固体高分子電解質膜に補強材を含む補強層が配置されており、前記補強材に前記塩素捕捉材が担持されている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用膜電極接合体。   The fuel cell membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein a reinforcing layer containing a reinforcing material is disposed on the solid polymer electrolyte membrane, and the chlorine capturing material is supported on the reinforcing material. Electrode assembly. 前記固体高分子電解質膜、前記カソードガス拡散電極、または前記アノードガス拡散電極の少なくとも1つにおいて、塩素捕捉層が配置された部位以外の部位に前記塩素捕捉材が分散している、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用膜電極接合体。   The chlorine scavenger is dispersed in a portion other than the portion where the chlorine trapping layer is disposed in at least one of the solid polymer electrolyte membrane, the cathode gas diffusion electrode, and the anode gas diffusion electrode. The membrane electrode assembly for fuel cells of any one of -7. 前記塩素捕捉材が、活性炭、木炭、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、およびセラミックスからなる群から選択される1種または2種以上である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池用膜電極接合体。   The fuel according to any one of claims 1 to 8, wherein the chlorine scavenger is one or more selected from the group consisting of activated carbon, charcoal, carbon black, fullerene, carbon nanotubes, and ceramics. Battery membrane electrode assembly. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する、カソードセパレータおよびアノードセパレータからなる1対のセパレータと、
を有する燃料電池。
A fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 9,
A pair of separators comprising a cathode separator and an anode separator sandwiching the membrane electrode assembly;
A fuel cell.
請求項10に記載の燃料電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the fuel cell according to claim 10.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011014340A (en) * 2009-07-01 2011-01-20 Hitachi Ltd Polymer membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell using the same
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CN113135614A (en) * 2021-03-10 2021-07-20 中国工程物理研究院材料研究所 Organic pollutant anodic oxidation treatment device based on proton exchange membrane

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