JP2009021049A - Cathode catalyst layer for fuel cell and fuel cell having it - Google Patents

Cathode catalyst layer for fuel cell and fuel cell having it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cathode catalyst layer for fuel cell capable of suppressing the deterioration of power generation performance, and a fuel cell having the same. <P>SOLUTION: The cathode catalyst layer (12) has a catalyst and a carbon carrier to carry the catalyst, and the weight of the catalyst with respect to the weight of the carbon carrier is over 60% and the thickness of the layer is 10 μm or smaller. The catalyst layer can supply sufficient moisture to an electrolyte membrane (11), while suppressing appropriately the evaporation amount of water from the cathode catalyst layer (12). Further, since a generation reaction place of water is moved to near the electrolyte membrane (11) of the cathode catalyst layer (12), flooding can be suppressed. Thereby, the deterioration of the power generation performance of the fuel cell (100) can be suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用のカソード触媒層およびそれを備えた燃料電池に関する。   The present invention relates to a cathode catalyst layer for a fuel cell and a fuel cell including the same.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system. In particular, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature among various types of fuel cells, it has a good startability. For this reason, research has been actively conducted for practical application in various fields.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側にカソードおよびアノードがそれぞれ設けられた膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。この電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜のイオン伝導性が低下する。したがって、電解質膜に適度に水分が供給されることが好ましい。   Generally, a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly (MEA) in which a cathode and an anode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte having proton conductivity. I have. When the water content of the electrolyte membrane decreases, the ionic conductivity of the electrolyte membrane decreases. Therefore, it is preferable that moisture is appropriately supplied to the electrolyte membrane.

そこで、発電時の水の生成密度を向上させることが考えられる。例えば、水の生成密度を向上させるために、電極における触媒の濃度を高めて触媒の活性を向上させる技術を用いることができる(例えば、特許文献1参照)。この技術を用いてカソードにおける触媒の濃度を高めれば、水の生成密度が向上する。   Therefore, it is conceivable to improve the generation density of water during power generation. For example, in order to improve the generation density of water, a technique for improving the activity of the catalyst by increasing the concentration of the catalyst in the electrode can be used (see, for example, Patent Document 1). If the concentration of the catalyst at the cathode is increased using this technique, the water generation density is improved.

特開2005−108838号公報JP 2005-108838 A

しかしながら、カソードにおける触媒濃度を高めても、カソードからの水の蒸発量が多い場合には電解質膜における含水量が低下する。その結果、発電性能が低下するおそれがある。一方で、カソードからの水の蒸発量が少ない場合には、カソードにおいてフラッディングが発生するおそれがある。この場合においても、発電性能が低下するおそれがある。   However, even if the catalyst concentration at the cathode is increased, the water content in the electrolyte membrane decreases if the amount of water evaporated from the cathode is large. As a result, power generation performance may be reduced. On the other hand, when the amount of water evaporation from the cathode is small, flooding may occur at the cathode. Even in this case, the power generation performance may be reduced.

本発明は、発電性能低下を抑制することができる燃料電池用のカソード触媒層およびそれを備えた燃料電池を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the cathode catalyst layer for fuel cells which can suppress a power generation performance fall, and a fuel cell provided with the same.

本発明に係る燃料電池用のカソード触媒層は、触媒と、触媒を担持するカーボン担体とを備え、カーボン担体の重量に対する触媒の重量は60%を上回り、層厚が10μm以下であることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池用のカソード触媒層においては、水の蒸発量を適度に抑制しつつ、燃料電池の電解質膜に十分に水分を供給することができる。また、水の生成反応場がカソード触媒層の電解質膜近傍に移動することから、フラッディングを抑制することができる。以上のことから、本発明に係るカソード触媒層を備える燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。なお、触媒は、白金または白金合金であってもよい。   The cathode catalyst layer for a fuel cell according to the present invention comprises a catalyst and a carbon carrier supporting the catalyst, wherein the weight of the catalyst with respect to the weight of the carbon carrier is more than 60%, and the layer thickness is 10 μm or less. It is what. In the cathode catalyst layer for a fuel cell according to the present invention, water can be sufficiently supplied to the electrolyte membrane of the fuel cell while moderately suppressing the evaporation amount of water. Further, since the water generation reaction field moves to the vicinity of the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer, flooding can be suppressed. From the above, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of a fuel cell including the cathode catalyst layer according to the present invention. The catalyst may be platinum or a platinum alloy.

本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に配置された請求項1または2記載の燃料電池用触媒層と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、水の蒸発量を適度に抑制しつつ、電解質膜に十分に水分を供給することができる。また、水の生成反応場がカソード触媒層の電解質膜近傍に移動することから、フラッディングを抑制することができる。以上のことから、本発明に係る燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。   The fuel cell according to the present invention is a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity, an anode catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and disposed on the other surface of the electrolyte membrane. Or a catalyst layer for a fuel cell as described in 2 above. In the fuel cell according to the present invention, water can be sufficiently supplied to the electrolyte membrane while appropriately suppressing the amount of water evaporation. Further, since the water generation reaction field moves to the vicinity of the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer, flooding can be suppressed. From the above, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell according to the present invention.

本発明によれば、発電性能低下を抑制することができる。   According to the present invention, a decrease in power generation performance can be suppressed.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

(実施の形態)
まず、本発明の一実施の形態に係る燃料電池100の概略について説明する。図1は、燃料電池100の模式的断面図である。図1に示すように、燃料電池100は、膜−電極接合体10の一面側に酸化剤ガス流路20およびセパレータ30が順に設けられ、他面側に燃料ガス流路40およびセパレータ50が順に設けられた構造を有する。
(Embodiment)
First, an outline of a fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 100. As shown in FIG. 1, in the fuel cell 100, an oxidant gas flow path 20 and a separator 30 are sequentially provided on one surface side of the membrane-electrode assembly 10, and a fuel gas flow path 40 and a separator 50 are sequentially provided on the other surface side. It has a provided structure.

膜−電極接合体10は、電解質膜11のセパレータ30側にカソード触媒層12およびガス拡散層13が順に設けられ、電解質膜11のセパレータ50側にアノード触媒層14およびガス拡散層15が順に設けられた構造を有する。電解質膜11は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えば、パーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。   In the membrane-electrode assembly 10, the cathode catalyst layer 12 and the gas diffusion layer 13 are sequentially provided on the separator 30 side of the electrolyte membrane 11, and the anode catalyst layer 14 and the gas diffusion layer 15 are sequentially provided on the separator 50 side of the electrolyte membrane 11. Have a structured. The electrolyte membrane 11 is made of a solid polymer electrolyte having proton conductivity, for example, a perfluorosulfonic acid type polymer.

カソード触媒層12は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層14は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層12およびアノード触媒層14は、触媒担持カーボンからなる。カソード触媒層12の詳細は、後述する。ガス拡散層13は、酸素を含有する酸化剤ガス(例えば、エア)を透過する層である。ガス拡散層15は水素を含有する燃料ガスを透過する層である。ガス拡散層13,15は、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。   The cathode catalyst layer 12 is a catalyst layer that promotes the reaction between protons and oxygen. The anode catalyst layer 14 is a catalyst layer that promotes protonation of hydrogen. The cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 14 are made of catalyst-supporting carbon. Details of the cathode catalyst layer 12 will be described later. The gas diffusion layer 13 is a layer that transmits an oxidant gas (for example, air) containing oxygen. The gas diffusion layer 15 is a layer that transmits a fuel gas containing hydrogen. The gas diffusion layers 13 and 15 are made of, for example, carbon paper, carbon cloth, or the like.

酸化剤ガス流路20および燃料ガス流路40は、例えば、発泡焼結金属等から構成される多孔体流路である。セパレータ30,50は、ステンレス等の導電体からなる。なお、酸化剤ガス流路20および燃料ガス流路40を設けずにセパレータ30,50に溝を設けてガス流路として用いてもよい。   The oxidant gas flow path 20 and the fuel gas flow path 40 are porous flow paths made of, for example, foam sintered metal. Separator 30,50 consists of conductors, such as stainless steel. The separators 30 and 50 may be provided with grooves without using the oxidant gas flow path 20 and the fuel gas flow path 40, and may be used as gas flow paths.

燃料ガス流路40には、図示しない燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、ガス拡散層15を透過してアノード触媒層14に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層14の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜11を伝導してカソード触媒層12に到達する。   Fuel gas is supplied to the fuel gas flow path 40 from a fuel gas supply means (not shown). The fuel gas passes through the gas diffusion layer 15 and reaches the anode catalyst layer 14. Hydrogen contained in the fuel gas is dissociated into protons and electrons via the catalyst of the anode catalyst layer 14. Protons are conducted through the electrolyte membrane 11 and reach the cathode catalyst layer 12.

一方、酸化剤ガス流路20には、図示しない酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、ガス拡散層13を透過してカソード触媒層12に到達する。カソード触媒層12においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水分が生成される。   On the other hand, the oxidizing gas channel 20 is supplied with an oxidizing gas from an oxidizing gas supply means (not shown). The oxidant gas passes through the gas diffusion layer 13 and reaches the cathode catalyst layer 12. In the cathode catalyst layer 12, protons and oxygen react through the catalyst. Thereby, power generation is performed and moisture is generated.

次に、カソード触媒層12の詳細について説明する。カソード触媒層12は、カーボン担体に白金、白金合金等の触媒が担持された構造を有する。白金合金に用いることができる元素は、例えばTi,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Hf,Ru,Ir,Pd,Os,Au,Agまたはこれらの混合物である。本実施の形態においては、カーボン担体の重量に対する触媒の重量(以下、触媒担持密度(%)と称する。)とカソード触媒層12の層厚とを調整することによって、燃料電池100の発電性能低下を抑制している。以下、図2を用いて原理を説明する。   Next, details of the cathode catalyst layer 12 will be described. The cathode catalyst layer 12 has a structure in which a catalyst such as platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support. Elements that can be used in the platinum alloy are, for example, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Hf, Ru, Ir, Pd, Os, Au, Ag, or a mixture thereof. In the present embodiment, the power generation performance of the fuel cell 100 is reduced by adjusting the weight of the catalyst relative to the weight of the carbon support (hereinafter referred to as catalyst loading density (%)) and the thickness of the cathode catalyst layer 12. Is suppressed. Hereinafter, the principle will be described with reference to FIG.

まず、図2(a)に示すように、カソード触媒層における触媒担持密度が比較的小さい場合、水の生成密度が比較的小さくなる。この場合、電解質膜に十分に水分を供給できないおそれがある。したがって、電解質膜において含水量が不足するおそれがある。   First, as shown in FIG. 2A, when the catalyst support density in the cathode catalyst layer is relatively small, the water generation density is relatively small. In this case, there is a possibility that sufficient moisture cannot be supplied to the electrolyte membrane. Therefore, there is a possibility that the water content in the electrolyte membrane is insufficient.

そこで、図2(b)に示すように、触媒担持密度を高く設定することが考えられる。この場合、カソード触媒層の電解質膜近傍に触媒が十分に存在する。それにより、水の生成反応場が、カソード触媒層の電解質膜近傍に移動する。その結果、生成水と電解質膜との距離が短くなる。また、水の生成反応場における水分濃度が電解質膜の水分濃度に比較して大きくなる。その結果、電解質膜に水が移動しやすくなる。しかしながら、カソード触媒層のガス拡散層側においては、水の生成量が低下することから生成水の蒸発量が多くなる。したがって、電解質膜に十分に水分を供給できなくなるおそれがある。その結果、発電性能が低下するおそれがある。   Therefore, as shown in FIG. 2B, it is conceivable to set the catalyst carrying density high. In this case, the catalyst is sufficiently present in the vicinity of the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer. Thereby, the water generation reaction field moves to the vicinity of the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer. As a result, the distance between the generated water and the electrolyte membrane is shortened. In addition, the water concentration in the water production reaction field is larger than the water concentration in the electrolyte membrane. As a result, water easily moves to the electrolyte membrane. However, on the gas diffusion layer side of the cathode catalyst layer, the amount of water produced decreases because the amount of water produced decreases. Therefore, there is a possibility that water cannot be sufficiently supplied to the electrolyte membrane. As a result, power generation performance may be reduced.

一方、図2(c)に示すように、カソード触媒層の層厚を小さく設定することが考えられる。この場合、水の生成反応場がカソード触媒層の全体となることから、カソード触媒層からの水の蒸発量が減少し、カソード触媒層においてフラッディングが発生するおそれがある。それにより、カソード触媒層への反応ガスの供給が抑制される。その結果、発電性能が低下するおそれがある。   On the other hand, as shown in FIG. 2C, it is conceivable to set the thickness of the cathode catalyst layer small. In this case, since the water generation reaction field is the entire cathode catalyst layer, the amount of water evaporated from the cathode catalyst layer is reduced, and flooding may occur in the cathode catalyst layer. Thereby, supply of the reaction gas to the cathode catalyst layer is suppressed. As a result, power generation performance may be reduced.

そこで、本実施の形態においては、図2(d)に示すように、カソード触媒層12において触媒担持密度を60%を上回る値に設定するとともに、カソード触媒層12の層厚を10μm以下に設定する。この場合、カソード触媒層12からの水の蒸発量を適度に抑制しつつ、電解質膜11に水分を十分に供給することができる。また、水の生成反応場がカソード触媒層12の電解質膜11近傍に移動することから、フラッディングを抑制することができ、カソード触媒層12への反応ガスの拡散性低下を抑制することができる。以上のことから、燃料電池100の発電性能低下を抑制することができる。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2D, the catalyst support density in the cathode catalyst layer 12 is set to a value exceeding 60%, and the layer thickness of the cathode catalyst layer 12 is set to 10 μm or less. To do. In this case, it is possible to sufficiently supply water to the electrolyte membrane 11 while appropriately suppressing the evaporation amount of water from the cathode catalyst layer 12. Moreover, since the water generation reaction field moves to the vicinity of the electrolyte membrane 11 of the cathode catalyst layer 12, flooding can be suppressed, and a decrease in the diffusibility of the reaction gas to the cathode catalyst layer 12 can be suppressed. From the above, a decrease in power generation performance of the fuel cell 100 can be suppressed.

なお、カソード触媒層12における触媒担持密度は、高ければ高いほど好ましい。カソード触媒層12の上限は、特に限定されるものではないが、例えば70%程度である。また、カソード触媒層12の層厚の下限は、特に限定されるものではないが、例えば1μm程度である。カソード触媒層12にPt100%の白金ブラックを用いた場合に必要な層厚が1μmであるからである。   Note that the higher the catalyst support density in the cathode catalyst layer 12, the better. The upper limit of the cathode catalyst layer 12 is not particularly limited, but is about 70%, for example. Further, the lower limit of the thickness of the cathode catalyst layer 12 is not particularly limited, but is, for example, about 1 μm. This is because the required layer thickness is 1 μm when platinum black of 100% Pt is used for the cathode catalyst layer 12.

なお、カソード触媒層12においては、目付量が小さいことが好ましい。目付量が小さくなるとカソード触媒層12の単位体積あたりの生成水量が多くなり、カソード触媒層12における水の生成反応場が電解質膜11により近くなるからである。ここで、目付量とは、カソード触媒層12の単位面積あたりの触媒の量(mg/cm)のことをいう。 The cathode catalyst layer 12 preferably has a small basis weight. This is because when the basis weight decreases, the amount of water produced per unit volume of the cathode catalyst layer 12 increases, and the water generation reaction field in the cathode catalyst layer 12 becomes closer to the electrolyte membrane 11. Here, the basis weight means the amount (mg / cm 2 ) of the catalyst per unit area of the cathode catalyst layer 12.

本実施の形態においては、カソード触媒層12が本発明に係る燃料電池用のカソード触媒層に相当する。   In the present embodiment, the cathode catalyst layer 12 corresponds to the cathode catalyst layer for a fuel cell according to the present invention.

以下、上記実施の形態に係る燃料電池を作製し、その特性を調べた。   Hereinafter, the fuel cell according to the above embodiment was manufactured, and the characteristics were examined.

(実施例1)
実施例1においては、図1の燃料電池100を作製した。電解質膜11として、パーフルオロスルフォン酸ポリマー系の材料からなり、膜厚が15μm〜45μmのものを用いた。カソード触媒層12として、白金担持カーボンを用いた。カソード触媒層12において、触媒担持密度を70%とし、層厚を10μmとし、目付量を0.5mg/cmとした。アノード触媒層14として、白金担持カーボンからなり、層厚が5μmのものを用いた。ガス拡散層13,15として、カーボンペーパからなるものを用いた。
Example 1
In Example 1, the fuel cell 100 of FIG. 1 was produced. The electrolyte membrane 11 is made of a perfluorosulfonic acid polymer material and has a thickness of 15 μm to 45 μm. Platinum-supported carbon was used as the cathode catalyst layer 12. In the cathode catalyst layer 12, the catalyst support density was 70%, the layer thickness was 10 μm, and the basis weight was 0.5 mg / cm 2 . The anode catalyst layer 14 was made of platinum-supported carbon and had a layer thickness of 5 μm. As the gas diffusion layers 13 and 15, those made of carbon paper were used.

(実施例2)
実施例2においては、目付量を0.4mg/cmとした他は、実施例1と同様のものを用いた。
(Example 2)
In Example 2, the same one as in Example 1 was used except that the basis weight was 0.4 mg / cm 2 .

(比較例)
比較例においては、カソード触媒層12の層厚を15μmとし、触媒担持密度を60%とした他は、実施例1と同様のものを用いた。
(Comparative example)
In the comparative example, the same thing as Example 1 was used except the layer thickness of the cathode catalyst layer 12 having been 15 micrometers and the catalyst carrying density having been 60%.

(分析)
実施例1,2および比較例に係る燃料電池に発電を行わせ、セル電圧およびセル抵抗を測定した。燃料ガス流路40には、露点Dpが45℃、背圧が40kPaG、ストイキが1.2である燃料ガスを供給した。酸化剤ガス流路20には、露点Dpが55℃、背圧が45kPaGである酸化剤ガスを供給した。酸化剤ガスのストイキは、所定の範囲内で変化させた。また、セル温度を80℃に設定し、電流密度を2.0A/cmに設定した。図3(a)〜図3(c)に結果を示す。
(analysis)
The fuel cells according to Examples 1 and 2 and the comparative example were caused to generate power, and the cell voltage and cell resistance were measured. A fuel gas having a dew point Dp of 45 ° C., a back pressure of 40 kPaG, and a stoichiometry of 1.2 was supplied to the fuel gas channel 40. An oxidant gas having a dew point Dp of 55 ° C. and a back pressure of 45 kPaG was supplied to the oxidant gas flow path 20. The stoichiometry of the oxidant gas was changed within a predetermined range. The cell temperature was set to 80 ° C., and the current density was set to 2.0 A / cm 2 . The results are shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c).

図3(a)は、酸化剤ガスストイキとセル電圧との関係を示す図である。図3(a)において、横軸は酸化剤ガスストイキを示し、縦軸は各燃料電池のセル電圧を示す。なお、図3(a)においては、各燃料電池のセル電圧を比較例に係る燃料電池のセル電圧に基づいて規格化してある。図3(a)に示すように、比較例に係る燃料電池のセル電圧に比較して、実施例1,2に係る燃料電池のセル電圧は大きくなった。これは、実施例に係る燃料電池においては電解質膜11の含水量低下が抑制されたからであると考えられる。なお、実施例1,2に係る燃料電池のセル電圧に差が生じなかったことから、触媒の目付量が異なっていてもセル電圧に影響がないことがわかった。   FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the oxidant gas stoichiometry and the cell voltage. In FIG. 3A, the horizontal axis represents the oxidant gas stoichiometry, and the vertical axis represents the cell voltage of each fuel cell. In FIG. 3A, the cell voltage of each fuel cell is normalized based on the cell voltage of the fuel cell according to the comparative example. As shown in FIG. 3A, the cell voltages of the fuel cells according to Examples 1 and 2 were larger than the cell voltage of the fuel cell according to the comparative example. This is presumably because the decrease in the water content of the electrolyte membrane 11 was suppressed in the fuel cell according to the example. In addition, since the difference was not produced in the cell voltage of the fuel cell which concerns on Example 1, 2, it turned out that there is no influence on a cell voltage even if the catalyst amount of a catalyst differs.

図3(b)は、酸化剤ガスストイキとセル抵抗との関係を示す図である。図3(b)において、横軸は酸化剤ガスストイキを示し、縦軸は各燃料電池のセル抵抗を示す。なお、図3(b)においては、各燃料電池のセル抵抗を比較例に係る燃料電池のセル抵抗に基づいて規格化してある。ここで、酸化剤ガスストイキが大きくなると、酸化剤ガス流量が多くなる。したがって、酸化剤ガスストイキが大きいほど、電解質膜11が乾燥しやすくなる。その結果、電解質膜11の抵抗が大きくなるおそれがある。   FIG. 3B is a diagram showing the relationship between the oxidant gas stoichiometry and the cell resistance. In FIG. 3B, the horizontal axis indicates the oxidant gas stoichiometry, and the vertical axis indicates the cell resistance of each fuel cell. In FIG. 3B, the cell resistance of each fuel cell is normalized based on the cell resistance of the fuel cell according to the comparative example. Here, as the oxidant gas stoichiometry increases, the oxidant gas flow rate increases. Therefore, the larger the oxidant gas stoichiometry, the easier the electrolyte membrane 11 is dried. As a result, the resistance of the electrolyte membrane 11 may increase.

図3(b)に示すように、比較例に係る燃料電池のセル抵抗に比較して、実施例1,2に係る燃料電池のセル抵抗は小さくなった。これは、電解質膜11の含水量低下が抑制されたからであると考えられる。なお、実施例1に比較して実施例2においては、セル抵抗がさらに小さくなった。これは、目付量が小さくなることによって水の生成反応場が電解質膜11により近くなり、電解質膜11への水分供給量が多くなったからであると考えられる。   As shown in FIG. 3B, the cell resistances of the fuel cells according to Examples 1 and 2 were smaller than the cell resistance of the fuel cell according to the comparative example. This is presumably because the decrease in the water content of the electrolyte membrane 11 was suppressed. In addition, compared with Example 1, in Example 2, cell resistance became still smaller. This is considered to be because the water generation reaction field becomes closer to the electrolyte membrane 11 due to the decrease in the basis weight, and the amount of water supply to the electrolyte membrane 11 increases.

図3(c)は、酸化剤ガスストイキと抵抗補正電圧との関係を示す図である。図3(c)において、横軸は酸化剤ガスストイキを示し、縦軸は各燃料電池の抵抗補正電圧を示す。なお、図3(c)においては、各燃料電池の抵抗補正電圧を比較例に係る燃料電池の抵抗補正電圧に基づいて規格化してある。また、抵抗補正電圧とは、セル電圧+電流×セル抵抗のことを意味する。したがって、高電流密度域においては、抵抗補正電圧が高いほど一般的にガス拡散性が良いことを示す。   FIG. 3C is a diagram showing the relationship between the oxidant gas stoichiometry and the resistance correction voltage. In FIG.3 (c), a horizontal axis shows oxidant gas stoichiometry and a vertical axis | shaft shows the resistance correction voltage of each fuel cell. In FIG. 3C, the resistance correction voltage of each fuel cell is normalized based on the resistance correction voltage of the fuel cell according to the comparative example. The resistance correction voltage means cell voltage + current × cell resistance. Therefore, in a high current density region, the higher the resistance correction voltage, the better the gas diffusibility generally.

図3(c)に示すように、比較例に係る燃料電池の抵抗補正電圧に比較して、実施例1,2に係る燃料電池の抵抗補正電圧は大きくなった。これは、実施例1,2に係る燃料電池においては電解質膜11の含水量低下が抑制されるとともにカソード触媒層12におけるフラッディングが抑制され、ガス拡散性低下が抑制されたからであると考えられる。なお、実施例1,2に係る燃料電池の抵抗補正電圧に差が生じなかったことから、触媒の目付量が異なっていても反応ガスの拡散性に影響がないことがわかった。   As shown in FIG. 3C, the resistance correction voltages of the fuel cells according to Examples 1 and 2 were larger than the resistance correction voltage of the fuel cell according to the comparative example. This is presumably because in the fuel cells according to Examples 1 and 2, the decrease in the water content of the electrolyte membrane 11 was suppressed, the flooding in the cathode catalyst layer 12 was suppressed, and the decrease in gas diffusivity was suppressed. In addition, since the difference was not produced in the resistance correction voltage of the fuel cell which concerns on Example 1, 2, it turned out that there is no influence on the diffusivity of a reactive gas even if the basis weight of a catalyst differs.

このように、カソード触媒層12における触媒担持密度を60%を上回る値に設定し、カソード触媒層12の層厚を10μm以下に設定することによって、燃料電池の発電性能低下を抑制することができた。   As described above, by setting the catalyst supporting density in the cathode catalyst layer 12 to a value exceeding 60% and setting the layer thickness of the cathode catalyst layer 12 to 10 μm or less, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell. It was.

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 燃料電池の発電性能低下を抑制する原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which suppresses the power generation performance fall of a fuel cell. 各燃料電池の発電電圧およびセル抵抗を示す図である。It is a figure which shows the electric power generation voltage and cell resistance of each fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

11 電解質膜
12 カソード触媒層
13,15 ガス拡散層
14 アノード触媒層
20 酸化剤ガス流路
30,50 セパレータ
40 燃料ガス流路
100 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Electrolyte membrane 12 Cathode catalyst layer 13,15 Gas diffusion layer 14 Anode catalyst layer 20 Oxidant gas flow path 30, 50 Separator 40 Fuel gas flow path 100 Fuel cell

Claims (3)

触媒と、
前記触媒を担持するカーボン担体とを備え、
前記カーボン担体の重量に対する前記触媒の重量は、60%を上回り、
層厚が10μm以下であることを特徴とする燃料電池用のカソード触媒層。
A catalyst,
A carbon support for supporting the catalyst,
The weight of the catalyst with respect to the weight of the carbon support exceeds 60%,
A cathode catalyst layer for a fuel cell, wherein the layer thickness is 10 μm or less.
前記触媒は、白金または白金合金であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用のカソード触媒層。   The cathode catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst is platinum or a platinum alloy. プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置された請求項1または2記載の燃料電池用のカソード触媒層と、を備えることを特徴とする燃料電池。
A solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity;
An anode catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane;
A fuel cell comprising: a cathode catalyst layer for a fuel cell according to claim 1 or 2 disposed on the other surface of the electrolyte membrane.
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