JP2009238496A - Membrane-electrode assembly - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly which exhibits an excellent power generation performance even in a high humidification condition. <P>SOLUTION: In the membrane-electrode assembly, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer which comprise an electrode catalyst in which a catalyst component is carried on a conductive carrier and a polymer electrolyte are arranged in opposition on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers interpose these. Then, at least part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer has a prescribed pore structure. Specifically, the pore structure has, in a hole distribution by mercury pressure method, a model hole diameter in a range of the hole diameter 0.01-0.10 μm in a range 0.045-0.060 μm. Then, the ratio of the half width to the peak height of a peak of the model hole diameter is 0.045 μm/(cm<SP>3</SP>g<SP>-1</SP>) or less. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)に関する。特に、本発明は、高加湿条件下においても、高い出力密度で安定した発電が可能な膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly (MEA). In particular, the present invention relates to a membrane electrode assembly capable of stable power generation at a high power density even under high humidification conditions.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子形燃料電池(以下、単に「燃料電池」とも称する)の構成は、一般的には、膜電極接合体(MEA)を、セパレータで挟持した構造となっている。膜電極接合体は、電極触媒層が固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、さらにこれを一対のガス拡散層が挟持してなるものである。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The structure of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter also simply referred to as “fuel cell”) generally has a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. In the membrane / electrode assembly, an electrode catalyst layer is disposed so as to face both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers are sandwiched between the electrode catalyst layers.

上記のような膜電極接合体を有する固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極触媒層(カソードおよびアノード)において、その極性に応じて下記の反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(水素極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e:反応1)。次に、生成したプロトンは、数個の水分子を伴いながら、電極触媒層に含まれる高分子電解質(以下、アイオノマーとも称する)、さらに電極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(酸素極)触媒層に達する。また、アノード触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異な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じ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側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(O+4H+4e→2HO:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the membrane electrode assembly as described above, in both electrode catalyst layers (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane, an electrode represented by the following reaction formula according to the polarity thereof The reaction proceeds to obtain electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (hydrogen electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e : reaction 1). Next, the generated protons are accompanied by a polymer electrolyte (hereinafter also referred to as an ionomer) contained in the electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, accompanied by several water molecules. The cathode (oxygen electrode) catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode catalyst layer pass through the conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the electrode catalyst layer different from the solid polymer electrolyte membrane, the separator, and an external circuit. Reach the cathode catalyst layer. The protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O: Reaction 2). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

上記の電気化学反応は、電極触媒−電解質−反応ガスの三相界面で起こる。よって、電極触媒と電解質との接触面積を増大させるために、通常、電極触媒の周囲には、固体高分子電解質膜と同様の材料からなる高分子電解質が分散されている。高分子電解質としては、スルホン酸基を持つパーフルオロカーボン系樹脂が汎用されている。このようなパーフルオロカーボン系樹脂は架橋構造を持たず、周囲の水分濃度の環境によって膨潤・収縮しやすい構造となっている。さらに、パーフルオロカーボン系樹脂は、樹脂中の含水率が低下すると、プロトン伝導率が低下する性質を有する。よって、良好なプロトン伝導性を維持するためには、このような樹脂からなる高分子電解質を十分に膨潤する程度に、電極触媒層中の水分濃度を保つことが好ましい。しかしながら、逆に、電極触媒層に水分が過剰に存在すると、電極触媒層の空孔で水が凝集するために、電極触媒層のからの排水が滞り、ガス拡散性が低下する。これによって、上記電気化学反応で用いられる反応ガスの供給が十分になされず、出力の低下となりうる。   The above electrochemical reaction takes place at the three-phase interface of electrode catalyst-electrolyte-reactive gas. Therefore, in order to increase the contact area between the electrode catalyst and the electrolyte, a polymer electrolyte made of the same material as the solid polymer electrolyte membrane is usually dispersed around the electrode catalyst. As the polymer electrolyte, perfluorocarbon-based resins having sulfonic acid groups are widely used. Such a perfluorocarbon-based resin does not have a cross-linked structure, and has a structure that easily swells and shrinks depending on the surrounding moisture concentration environment. Furthermore, perfluorocarbon-based resins have a property that proton conductivity decreases when the water content in the resin decreases. Therefore, in order to maintain good proton conductivity, it is preferable to maintain the moisture concentration in the electrode catalyst layer to such an extent that the polymer electrolyte made of such a resin is sufficiently swollen. On the other hand, if water exists excessively in the electrode catalyst layer, water aggregates in the pores of the electrode catalyst layer, so that drainage from the electrode catalyst layer stagnates and gas diffusibility decreases. As a result, the reaction gas used in the electrochemical reaction is not sufficiently supplied, and the output can be reduced.

一般的に、上記のような膜電極接合体において、アノード触媒層は、燃料ガスの酸化反応に伴うプロトンの移動と同時に水分子がカソード側に移動するために、比較的低加湿条件になることが知られている。一方、カソード触媒層は前記電気化学反応によって生じた水により、比較的高加湿条件になる。このようなことから、アノード側およびカソード側の電極触媒層の水分管理が適切になされることが望まれる。   In general, in the membrane electrode assembly as described above, the anode catalyst layer has a relatively low humidification condition because water molecules move to the cathode side simultaneously with the movement of protons accompanying the oxidation reaction of the fuel gas. It has been known. On the other hand, the cathode catalyst layer is relatively humidified by the water generated by the electrochemical reaction. For these reasons, it is desired that moisture management of the anode-side and cathode-side electrode catalyst layers be appropriately performed.

特許文献1には、触媒を含有するガス拡散電極からなり、該ガス拡散電極が有する細孔のうち、0.1μmより大きな孔径の細孔容積が0.4cc/g以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極が記載されている。これにより、ガス拡散性に優れ、電極触媒層の導電性の高い、抵抗の低い高出力密度の固体高分子型燃料電池を得ることができる、としている。   Patent Document 1 is characterized by comprising a gas diffusion electrode containing a catalyst, and among the pores of the gas diffusion electrode, the pore volume having a pore diameter larger than 0.1 μm is 0.4 cc / g or more. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell is described. Thereby, it is said that a polymer electrolyte fuel cell having excellent gas diffusibility, high conductivity of the electrode catalyst layer, and low resistance and high output density can be obtained.

また、特許文献2には、アノード側およびカソード側の触媒層を、細孔径および細孔容積が相対的に小さい第1の触媒層と、細孔径および細孔容積が相対的に大きい第2の触媒層から構成する固体高分子形燃料電池が記載されている。そして、第1の触媒層を反応ガスの入口側に、また第2の触媒層を反応ガスの出口側に配している。これにより、電解質膜の水分量が全域にわたって適度に保たれ、かつ触媒層のガス拡散性が良好に維持され、優れたセル特性を有する固体高分子型燃料電池が得られうる、としている。
特開平9−283154号公報 特開2002−237306号公報
Patent Document 2 discloses that the catalyst layer on the anode side and the cathode side is composed of a first catalyst layer having a relatively small pore diameter and pore volume, and a second catalyst layer having a relatively large pore diameter and pore volume. A polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer is described. The first catalyst layer is disposed on the reaction gas inlet side, and the second catalyst layer is disposed on the reaction gas outlet side. As a result, the moisture content of the electrolyte membrane can be maintained moderately over the entire region, the gas diffusibility of the catalyst layer can be maintained well, and a polymer electrolyte fuel cell having excellent cell characteristics can be obtained.
JP-A-9-283154 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-237306

しかしながら、上記特許文献1に記載の、大きな孔径の細孔の割合が高いガス拡散電極は、高加湿条件下での排水性が不十分で、所望の発電性能が得られないという問題点があった。   However, the gas diffusion electrode described in Patent Document 1 and having a large proportion of pores having a large pore diameter has a problem in that the drainage property under high humidification conditions is insufficient and the desired power generation performance cannot be obtained. It was.

また、上記特許文献2には、具体的には、第1の触媒層の細孔径が0.01〜0.05μm、細孔容積が0.05〜0.4ml/gであり、第2の触媒層の細孔径が0.05〜0.1μm、細孔容積が0.4〜1.0ml/gであることが記載されている。しかしながら、このような2種類の触媒層を用いると、排水性が悪く、所望の発電性能を得られないという問題点があった。さらに、細孔径および細孔容積が大きい第2の触媒層のみを用いても、依然として排水性が不十分で、特に、高加湿条件下では満足のいく出力密度が得られないという問題点があった。   Further, in Patent Document 2, specifically, the first catalyst layer has a pore diameter of 0.01 to 0.05 μm, a pore volume of 0.05 to 0.4 ml / g, It is described that the pore diameter of the catalyst layer is 0.05 to 0.1 μm and the pore volume is 0.4 to 1.0 ml / g. However, when such two types of catalyst layers are used, there is a problem that drainage is poor and desired power generation performance cannot be obtained. Furthermore, even if only the second catalyst layer having a large pore diameter and pore volume is used, the drainage performance is still insufficient, and a satisfactory output density cannot be obtained particularly under high humidification conditions. It was.

そこで本発明は、高加湿条件下においても、優れた発電性能を発揮する膜電極接合体を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly that exhibits excellent power generation performance even under high humidification conditions.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、所定の空孔直径を有する空孔が電極触媒層中に均一に存在することにより、排水性およびガス拡散性に優れた膜電極接合体が得られることを見出した。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that a membrane electrode assembly excellent in drainage and gas diffusibility can be obtained by uniformly having pores having a predetermined pore diameter in the electrode catalyst layer.

すなわち、上記目的を達成するための本発明の膜電極接合体は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含むアノード触媒層およびカソード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる。そして、前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の少なくとも一部が、所定の空孔構造を有する。具体的には、当該空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.045〜0.060μmの範囲に有する。そして、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.045μm/(cm−1)以下である。 That is, in order to achieve the above object, the membrane electrode assembly of the present invention has an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer containing an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier, and a polymer electrolyte. The molecular electrolyte membrane is disposed so as to face both surfaces, and is sandwiched between a pair of gas diffusion layers. At least a part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer has a predetermined pore structure. Specifically, the hole structure has a modest hole diameter in a range of 0.01 to 0.10 μm in a range of 0.045 to 0.060 μm in a hole distribution by a mercury intrusion method. And the ratio of the half value width with respect to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.045 μm / (cm 3 g −1 ) or less.

本発明によれば、高加湿条件下においても、優れた発電性能を発揮する膜電極接合体を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the membrane electrode assembly which exhibits the outstanding electric power generation performance also under high humidification conditions can be provided.

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本実施形態は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含むアノード触媒層およびカソード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる膜電極接合体に関する。そして、前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の少なくとも一部が、所定の空孔構造を有する。具体的には、当該空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.045〜0.060μmの範囲に有する。そして、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.045μm/(cm−1)以下である。 In the present embodiment, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer containing an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte are disposed opposite to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a membrane / electrode assembly formed by sandwiching between a pair of gas diffusion layers. At least a part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer has a predetermined pore structure. Specifically, the hole structure has a modest hole diameter in a range of 0.01 to 0.10 μm in a range of 0.045 to 0.060 μm in a hole distribution by a mercury intrusion method. And the ratio of the half value width with respect to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.045 μm / (cm 3 g −1 ) or less.

以下、図面を参照しながら、本発明を説明するが、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り、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

[膜電極接合体]
図1は、本発明の膜電極接合体の一般的な全体構造を模式的に表した断面概略図である。図1に示すように、本発明の膜電極接合体100は、アノード触媒層120aおよびカソード触媒層120cが、固体高分子電解質膜110の両面に対向して配置されている。そして、これを一対のアノード側ガス拡散層140aおよびカソード側ガス拡散層140cが挟持してなる。アノード触媒層120aおよびカソード触媒層120cは、電極触媒および高分子電解質を含む。この電極触媒は、導電性担体が触媒成分を担持してなる。
[Membrane electrode assembly]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a membrane electrode assembly of the present invention. As shown in FIG. 1, in the membrane electrode assembly 100 of the present invention, the anode catalyst layer 120 a and the cathode catalyst layer 120 c are arranged to face both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 110. A pair of anode side gas diffusion layer 140a and cathode side gas diffusion layer 140c is sandwiched therebetween. The anode catalyst layer 120a and the cathode catalyst layer 120c include an electrode catalyst and a polymer electrolyte. In this electrode catalyst, a conductive carrier carries a catalyst component.

以下、本発明の膜電極接合体を構成する部材について簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   Hereinafter, although the member which comprises the membrane electrode assembly of this invention is demonstrated easily, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

(電極触媒層)
電極触媒層には、アノード触媒層およびカソード触媒層の2つがある。以下、アノード触媒層とカソード触媒層との区別をしないときは、単に「電極触媒層」とも称する。電極触媒層は、電気化学反応により、電気エネルギーを生み出す機能を有する。アノード触媒層では水素の酸化反応により、プロトンおよび電子が生成する。ここで生じたプロトンおよび電子は、カソード触媒層での酸素の還元反応に用いられる。
(Electrocatalyst layer)
There are two electrode catalyst layers, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer. Hereinafter, when the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are not distinguished from each other, they are also simply referred to as “electrode catalyst layers”. The electrode catalyst layer has a function of generating electric energy by an electrochemical reaction. In the anode catalyst layer, protons and electrons are generated by the oxidation reaction of hydrogen. Protons and electrons generated here are used for oxygen reduction reaction in the cathode catalyst layer.

アノード側またはカソード側の電極触媒層の少なくとも一部は、所定の空孔構造を有する。具体的には、当該空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.045〜0.060μmの範囲に有する。そして、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.045μm/(cm−1)以下である。なお、以下の説明において、空孔はすべて円筒形であると仮定し、空孔直径はD、空孔容積はVで表す。 At least a part of the anode-side or cathode-side electrode catalyst layer has a predetermined pore structure. Specifically, the hole structure has a modest hole diameter in a range of 0.01 to 0.10 μm in a range of 0.045 to 0.060 μm in a hole distribution by a mercury intrusion method. And the ratio of the half value width with respect to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.045 μm / (cm 3 g −1 ) or less. In the following description, it is assumed that all the holes are cylindrical, the hole diameter is D, and the hole volume is V.

ここで、水銀圧入法とは、大抵の物質と反応せず、濡れもない水銀を、圧力を加えて固体の空孔中へ圧入し、その時に加えた圧力と押し込まれた(侵入した)水銀容積の関係から試料表面の空孔の大きさとその体積を測定する手法である。サンプルおよび水銀を充填したセルを高圧容器内で連続的に加圧していくと、水銀は大きな空孔から小さな空孔へと順に圧入されていく。どれくらいの圧力をかけたときに、どれくらいの大きさの孔に水銀が入っていくかは、理論的にWashburnの式(D=−4σcosθ/P)から計算できる。ここで、Pは加える圧力、Dは空孔直径、σは水銀の表面張力、θは水銀と空孔壁面の接触角である。σおよびθを定数として取り扱うことで、Washburnの式から加えた圧力Pと空孔径Dの関係が求められ、その時の侵入容積を測定することにより、空孔径とその容積分布が導かれる。なお、下記実施例においては、水銀の表面張力σを485 dyn cm−1、水銀と空孔壁面の接触角を130°として空孔直径を算出している。そこで、本発明と従来公知の技術との比較においては、これらの値を用いて従来公知の技術における空孔直径を算出しなおす必要がある。 Here, the mercury intrusion method is a method in which mercury that does not react with most substances and does not wet is pressed into solid vacancies under pressure, and the pressure applied at that time is pushed (intruded) mercury. This is a technique for measuring the size and volume of vacancies on the sample surface from the relationship of volume. When a cell filled with a sample and mercury is continuously pressurized in a high-pressure vessel, mercury is sequentially injected from a large hole to a small hole. It can be theoretically calculated from the Washburn equation (D = −4σcos θ / P) how much pressure the mercury enters into the pores of which size. Here, P is the applied pressure, D is the pore diameter, σ is the surface tension of mercury, and θ is the contact angle between mercury and the pore wall surface. By treating σ and θ as constants, the relationship between the pressure P applied from the Washburn equation and the hole diameter D is obtained, and the hole diameter and its volume distribution are derived by measuring the intrusion volume at that time. In the following examples, the hole diameter is calculated assuming that the surface tension σ of mercury is 485 dyn cm −1 and the contact angle between mercury and the hole wall surface is 130 °. Therefore, in comparison between the present invention and a conventionally known technique, it is necessary to recalculate the hole diameter in the conventionally known technique using these values.

具体的には、固体高分子電解質膜の両面に本発明に係る電極触媒層を形成し、CCM(catalyst coated membrane)を作製する。このCCMを測定セルに投入し、この試料が投入された測定セルを真空排気した後に水銀を充填し、セル内部を連続的に加圧し、その過程での水銀侵入容積(W1[cm])を静電容量検出器で検知する。別途、電極触媒層を形成する前の固体高分子電解質膜単独について同様の操作を行ない、水銀侵入容積(W0[cm])を検知する。このCCMの水銀侵入容積と電解質膜の水銀侵入容積との差(W1−W0[cm])を電極触媒層質量(g)で除した値が、電極触媒層の空孔容積V(cm/g)である。 Specifically, the electrode catalyst layer according to the present invention is formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane to produce a CCM (catalyst coated membrane). The CCM is put into a measurement cell, the measurement cell containing the sample is evacuated and then filled with mercury, the inside of the cell is continuously pressurized, and the mercury intrusion volume (W1 [cm 3 ]) in the process Is detected by a capacitance detector. Separately, the same operation is performed on the solid polymer electrolyte membrane alone before forming the electrode catalyst layer, and the mercury intrusion volume (W0 [cm 3 ]) is detected. The value obtained by dividing the difference between the mercury intrusion volume of the CCM and the mercury intrusion volume of the electrolyte membrane (W1-W0 [cm 3 ]) by the electrode catalyst layer mass (g) is the pore volume V (cm 3 of the electrode catalyst layer). / G).

また、本発明において、空孔分布とは、ログ微分空孔容積分布をいう。ログ微分空孔容積分布を求めるには、まず、上記の水銀圧入法により得られる電極触媒層の空孔容積をVとし、空孔直径をDとした際の、差分空孔容積dVを空孔直径の対数扱いの差分値d(logD)で割った値(dV/d(logD))を求める。そして、このdV/d(logD)を各区分の平均空孔直径に対してプロットすればよい。なお、差分空孔容積dVとは、測定ポイント間の空孔容積の増加分をいう。   In the present invention, the pore distribution means a log differential pore volume distribution. In order to obtain the log differential hole volume distribution, first, the hole volume of the electrode catalyst layer obtained by the mercury intrusion method is set to V, and the hole diameter is set to D. A value (dV / d (logD)) divided by a logarithmic difference value d (logD) of the diameter is obtained. Then, this dV / d (logD) may be plotted against the average pore diameter of each section. The differential hole volume dV refers to an increase in the hole volume between measurement points.

図2は、本発明に係る電極触媒層が有する、一般的な空孔構造の空孔分布を表したグラフである。図2に示すように、横軸が空孔直径(対数目盛り)を表し、左側の縦軸がログ微分空孔容積を表す。ここで、実線は左側の縦軸のログ微分積分空孔容積に対してのグラフであり、破線は右側の縦軸の積算空孔容積に対してのグラフである。   FIG. 2 is a graph showing the pore distribution of a general pore structure possessed by the electrode catalyst layer according to the present invention. As shown in FIG. 2, the horizontal axis represents the hole diameter (logarithmic scale), and the left vertical axis represents the log differential hole volume. Here, the solid line is a graph for the log differential integral void volume on the left vertical axis, and the broken line is a graph for the accumulated void volume on the right vertical axis.

本発明に係る空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.045〜0.060μmの範囲に有する。これは、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲におけるログ微分空孔容積の最大値が、空孔直径0.045〜0.060μmの範囲に存在することを意味する。なお、以下において、「空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径」を、単に「最頻空孔径」とも称する。高加湿条件下での発電性能の観点からは、最頻空孔径は、0.050〜0.060μmの範囲に存在することが好ましく、0.052〜0.057μmの範囲に存在することがより好ましい。最頻空孔径が0.045μm未満であると、電極触媒層における水の排出が好適になされない虞がある。一方、最頻空孔径が0.060μmを超えると、電極触媒層のアイオノマーネットワークが良好に形成されず、保水性が低下する虞がある。また、発電性能に与える加湿条件の影響の小ささ(以下、「加湿ロバスト性」とも称する)の観点からは、最頻空孔径は、0.045〜0.050μmの範囲に存在することが好ましく、0.045〜0.049μmの範囲に存在することが好ましい。最頻空孔径が0.050μm以下であると、アイオノマーネットワークが良好に形成され、保水性が向上する。これにより、低加湿条件下での発電性能の低下が抑えられる。すなわち、このような空孔構造が存在する膜電極接合体を有する燃料電池は、供給される反応ガス自体の水分量の変化や複雑に変化するセル内の湿度分布に対する影響が小さく、安定した発電性能を発揮しうる。   The hole structure according to the present invention has a modest hole diameter in a range of 0.01 to 0.10 μm in a range of 0.045 to 0.060 μm in a hole distribution by a mercury intrusion method. This means that the maximum value of the log differential pore volume in the pore diameter range of 0.01 to 0.10 μm exists in the pore diameter range of 0.045 to 0.060 μm. In the following, “moderate hole diameter in the range of 0.01 to 0.10 μm hole diameter” is also simply referred to as “moderate hole diameter”. From the viewpoint of power generation performance under highly humidified conditions, the most frequent pore diameter is preferably in the range of 0.050 to 0.060 μm, and more preferably in the range of 0.052 to 0.057 μm. preferable. If the mode pore size is less than 0.045 μm, there is a possibility that water is not suitably discharged from the electrode catalyst layer. On the other hand, if the mode pore diameter exceeds 0.060 μm, the ionomer network of the electrode catalyst layer is not formed well, and water retention may be reduced. Further, from the viewpoint of the small influence of the humidification condition on the power generation performance (hereinafter also referred to as “humidification robustness”), the mode pore diameter is preferably in the range of 0.045 to 0.050 μm. , Preferably in the range of 0.045 to 0.049 μm. When the mode pore diameter is 0.050 μm or less, an ionomer network is formed satisfactorily and water retention is improved. Thereby, the fall of the power generation performance under low humidification conditions is suppressed. In other words, a fuel cell having a membrane electrode assembly having such a pore structure has little influence on the moisture content of the supplied reaction gas itself and the humidity distribution in the cell that changes in a complicated manner, and stable power generation. Can demonstrate performance.

そして、上記空孔構造において、最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.045μm/(cm−1)以下である。なお、以下において、「最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比」を、単に「半値幅/ピーク高さ」とも称する。最頻空孔径のピークとは、ログ微分空孔容積の最大値を含むピークをいう。ピーク高さとは、ベースラインからピークトップまでの距離を指す。ここで、本発明における空孔分布は空孔直径が0.50μmにおけるログ微分空孔容積の値を0cm−1と定義する。これは、空孔直径が0.50μmにおける積算空孔容積の値を0cm−1と定義することに起因する。そして、ログ微分空孔容積の値が0cm−1のラインをベースラインと定義する。つまり、本発明において、ベースラインはログ微分空孔容積分布のグラフの横軸となる。よって、ピーク高さは横軸からピークトップまでの値、すなわち、ピークの最大値に相当する。半値幅はあるピークの広がりの程度を表す指標で、そのピーク高さの1/2の高さにおけるピーク幅を指す。半値幅/ピーク高さは、好ましくは0.044μm/(cm−1)以下であり、より好ましくは0.043μm/(cm−1)以下である。半値幅/ピーク高さが0.045μm/(cm−1)を超えると、空孔構造の均一性が低下し、排水性およびガス拡散性が低下する虞がある。また、加湿ロバスト性の観点からは、半値幅/ピーク高さが0.025μm/(cm−1)以下であることが好ましく、0.021μm/(cm−1)以下であることがより好ましい。半値幅/ピーク高さが0.025μm/(cm−1)以下であると、空孔がより均一に存在するので、アイオノマーネットワークが良好に形成され、保水性がより向上する。そして、これにより、低加湿条件下での発電性能の低下が抑えられる。半値幅/ピーク高さは、理論的には0を超える値であって、小さい値ほど好ましいが、現実的に製造可能な限界を考慮すると、好ましくは0.010μm/(cm−1)以上である。 And in the said void | hole structure, ratio of the half value width with respect to the peak height of the peak of a mode hole diameter is 0.045 micrometer / (cm < 3 > g < -1 >) or less. In the following, “the ratio of the half-value width to the peak height of the peak of the mode pore diameter” is also simply referred to as “half-value width / peak height”. The peak of the most frequent pore diameter refers to a peak including the maximum value of the log differential pore volume. Peak height refers to the distance from the baseline to the peak top. Here, in the pore distribution in the present invention, the value of the log differential pore volume when the pore diameter is 0.50 μm is defined as 0 cm 3 g −1 . This is because the value of the accumulated pore volume when the pore diameter is 0.50 μm is defined as 0 cm 3 g −1 . A line having a log differential pore volume value of 0 cm 3 g −1 is defined as a baseline. That is, in the present invention, the baseline is the horizontal axis of the log differential pore volume distribution graph. Therefore, the peak height corresponds to the value from the horizontal axis to the peak top, that is, the maximum value of the peak. The full width at half maximum is an index representing the extent of the spread of a certain peak, and refers to the peak width at half the height of the peak. The half width / peak height is preferably 0.044 μm / (cm 3 g −1 ) or less, and more preferably 0.043 μm / (cm 3 g −1 ) or less. When the half width / peak height exceeds 0.045 μm / (cm 3 g −1 ), the uniformity of the pore structure is lowered, and the drainage and gas diffusibility may be lowered. In view of the humidifying robustness, it is preferable that the half width / peak height is 0.025μm / (cm 3 g -1) or less, 0.021μm / (cm 3 g -1 ) that less is Is more preferable. When the full width at half maximum / peak height is 0.025 μm / (cm 3 g −1 ) or less, vacancies are present more uniformly, so that an ionomer network is well formed and water retention is further improved. And thereby, the fall of the power generation performance under low humidification conditions is suppressed. The half-value width / peak height is theoretically a value exceeding 0 and is preferably as small as possible. However, in consideration of a practically manufacturable limit, it is preferably 0.010 μm / (cm 3 g −1 ). That's it.

これらの2つの数値範囲を満たすということは、すなわち、好適な大きさの空孔が電極触媒層内に均一に存在することを意味する。したがって、このような空孔構造を有する電極触媒層が配された膜電極接合体は、優れた発電性能を発揮する。   Satisfying these two numerical ranges means that pores of a suitable size are uniformly present in the electrocatalyst layer. Therefore, the membrane electrode assembly in which the electrode catalyst layer having such a pore structure is arranged exhibits excellent power generation performance.

また、上記の水銀圧入法による空孔分布において、最頻空孔径のピークの半値幅が0.045μm以下であると好ましい。なお、以下において、「最頻空孔径のピークの半値幅」を、単に「半値幅」とも表す。高加湿条件下での発電性能の観点からは、半値幅は、より好ましくは0.043μm以下であり、さらに好ましくは0.042μm以下である。半値幅が0.045μm以下であると、排水性およびガス拡散性に寄与する空孔がより均一に存在するので、排水性およびガス拡散性がより向上する。また、加湿ロバスト性の観点からは、半値幅が0.030μm以下であることがより好ましく、0.026μm以下であることがさらに好ましい。半値幅が0.030μm以下であると、上述の、加湿ロバスト性の向上に好適な最頻空孔径を有する空孔が、電極触媒層により均一に存在するので、アイオノマーネットワークが良好に形成され、保水性が向上する。これにより、低加湿条件下での発電性能の低下が抑えられる。半値幅は、理論的には0を超える値であって、小さい値ほど好ましいが、現実的に製造可能な限界を考慮すると、好ましくは0.010μm以上であり、より好ましくは0.019μm以上である。   Moreover, in the hole distribution by the mercury intrusion method, the half-value width of the peak of the most frequent hole diameter is preferably 0.045 μm or less. In the following, the “half-value width of the peak of the most frequent pore diameter” is also simply referred to as “half-value width”. From the viewpoint of power generation performance under highly humidified conditions, the full width at half maximum is more preferably 0.043 μm or less, and still more preferably 0.042 μm or less. When the half-value width is 0.045 μm or less, pores contributing to drainage and gas diffusibility are present more uniformly, and therefore drainage and gas diffusibility are further improved. Further, from the viewpoint of humidification robustness, the half width is more preferably 0.030 μm or less, and further preferably 0.026 μm or less. When the full width at half maximum is 0.030 μm or less, the above-mentioned pores having the most frequent pore diameter suitable for improving the humidification robustness are uniformly present in the electrode catalyst layer, so that an ionomer network is formed favorably. Water retention is improved. Thereby, the fall of the power generation performance under low humidification conditions is suppressed. The half-value width is theoretically a value exceeding 0 and is preferably as small as possible. However, in consideration of a practically manufacturable limit, it is preferably 0.010 μm or more, more preferably 0.019 μm or more. is there.

さらに、上記空孔構造において、空孔直径が0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.40〜0.60cm−1であると好ましい。なお、以下において、「空孔直径が0.01〜0.5μmの範囲の全空孔容積」を、単に「全空孔容積」とも表す。高加湿条件下での発電性能の観点からは、全空孔容積は、より好ましくは0.47〜0.60cm−1であり、さらに好ましくは0.49〜0.56cm−1である。全空孔容積が0.40〜0.60cm−1であると、発電に好ましい形態の空孔が触媒層内に十分存在し、発電性能が向上する。全空孔容積が0.40cm−1以上であると、十分な空孔数が存在するために、発電性能が向上する。また、全空孔容積が0.60cm−1以下であると、触媒層の強度が維持される。また、加湿ロバスト性の観点からは、全空孔容積が0.40〜0.50cm−1であることがより好ましく、0.42〜0.45cm−1であることがより好ましい。全空孔容積が0.40〜0.50cm−1であると、アイオノマーネットワークが良好に形成された保水性の向上に寄与できる空孔が触媒層内に十分存在する。これにより、低加湿条件下での発電性能の低下が抑えられる。 Furthermore, in the above-mentioned hole structure, it is preferable that the total hole volume with a hole diameter in the range of 0.01 to 0.50 μm is 0.40 to 0.60 cm 3 g −1 . In the following, the “total pore volume in which the pore diameter is in the range of 0.01 to 0.5 μm” is also simply referred to as “total pore volume”. From the viewpoint of power generation performance under highly humidified conditions, the total pore volume is more preferably 0.47 to 0.60 cm 3 g −1 , further preferably 0.49 to 0.56 cm 3 g −1. It is. When the total pore volume is 0.40 to 0.60 cm 3 g −1 , pores in a form preferable for power generation are sufficiently present in the catalyst layer, and the power generation performance is improved. When the total pore volume is 0.40 cm 3 g −1 or more, there is a sufficient number of pores, and thus power generation performance is improved. Further, if the total pore volume is 0.60 cm 3 g −1 or less, the strength of the catalyst layer is maintained. In view of the humidifying robustness, more preferably Zensoraana volume is 0.40~0.50cm 3 g -1, and more preferably 0.42~0.45cm 3 g -1 . When the total pore volume is 0.40 to 0.50 cm 3 g −1 , there are sufficient pores in the catalyst layer that can contribute to improvement of water retention in which an ionomer network is well formed. Thereby, the fall of the power generation performance under low humidification conditions is suppressed.

本発明の膜電極接合体は、上記空孔構造をアノード側またはカソード触媒層の少なくとも一部に有していればよい。言い換えると、電極触媒層において、上述した数値範囲を満たす空孔構造を有する領域に加えて、上述した数値範囲を満たさない空孔構造を有する領域が存在してもよい。この際、空孔構造の空孔分布の評価には、膜電極接合体に用いられるアノード側またはカソード触媒層の全体積を基準にして、20体積%以上の領域を有する電極触媒層を評価用サンプルとして用いる。つまり、アノードまたはカソード触媒層からランダムに選択された評価用サンプルのうち、少なくとも一つの評価サンプルが、上述した数値範囲を満たす空孔構造を有すればよい。また、本発明に係る空孔構造を有する領域が占める割合は、アノードまたはカソード触媒層の全体積を基準にして、好ましくは30〜100体積%であり、より好ましくは40〜100体積%であり、さらに好ましくは50〜100体積%であり、特に好ましくは60〜100体積%であり、最も好ましくは100体積%(全体)である。上記空孔構造をアノードまたはカソード触媒層の少なくとも一部に有していれば、高加湿条件下においても、優れた発電性能を発揮できるが、上記空孔構造が存在する領域が増大すると、当該作用効果は一層高まる。   The membrane / electrode assembly of the present invention may have the above-described pore structure on at least a part of the anode side or the cathode catalyst layer. In other words, in the electrode catalyst layer, there may be a region having a pore structure that does not satisfy the above numerical range in addition to a region having a pore structure that satisfies the above numerical range. At this time, for evaluation of the pore distribution of the pore structure, an electrode catalyst layer having a region of 20% by volume or more is used for evaluation based on the total volume of the anode side or cathode catalyst layer used in the membrane electrode assembly. Use as a sample. That is, it is only necessary that at least one evaluation sample out of the evaluation samples randomly selected from the anode or cathode catalyst layer has a pore structure that satisfies the above numerical range. Further, the ratio of the region having the pore structure according to the present invention is preferably 30 to 100% by volume, more preferably 40 to 100% by volume, based on the total volume of the anode or cathode catalyst layer. Further, it is preferably 50 to 100% by volume, particularly preferably 60 to 100% by volume, and most preferably 100% by volume (whole). If the pore structure is included in at least a part of the anode or cathode catalyst layer, excellent power generation performance can be exhibited even under highly humidified conditions. However, when the region where the pore structure exists increases, The effect is further enhanced.

なかでも、カソード触媒層はアノード触媒層と比較して、上記電気化学反応によって生じた水により、比較的高加湿条件になり易い。そこで、本発明の膜電極接合体は、上記空孔構造をカソード触媒層の少なくとも一部に有することが好ましい。上記空孔構造をカソード触媒層の少なくとも一部に有すると、電気化学反応によって生じる水によって、高加湿条件となっても、優れた発電性能を発揮できる。   In particular, the cathode catalyst layer is likely to be in a relatively high humidification condition due to water generated by the electrochemical reaction as compared with the anode catalyst layer. Therefore, the membrane / electrode assembly of the present invention preferably has the above-described pore structure in at least a part of the cathode catalyst layer. When the pore structure is included in at least a part of the cathode catalyst layer, excellent power generation performance can be exhibited even under high humidification conditions by water generated by an electrochemical reaction.

(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有する高分子電解質から構成され、固体高分子形燃料電池の運転時にアノード触媒層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 is composed of a polymer electrolyte having proton conductivity, and selectively generates protons generated in the anode catalyst layer during the operation of the solid polymer fuel cell to the cathode catalyst layer along the film thickness direction. It has a function of transmitting. The solid polymer electrolyte membrane 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高分子電解質からなる膜が適宜採用できる。固体高分子電解質膜は、構成材料である高分子電解質の種類に応じて、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 is not particularly limited, and a membrane made of a polymer electrolyte that is conventionally known in the technical field of fuel cells can be appropriately employed. Solid polymer electrolyte membranes are roughly classified into fluorine-based solid polymer electrolyte membranes and hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membranes according to the type of polymer electrolyte that is a constituent material.

フッ素系固体高分子電解質膜を構成する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)など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、より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 polymer electrolyte constituting the fluorine-based solid polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Such as perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride -Perfluorocarbon sulfonic acid type polymer etc. are mentioned. 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 more preferably fluorine-based solid polymer electrolyte membranes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. Is used.

炭化水素系固体高分子電解質膜を構成する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 polymer electrolyte constituting the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, and phosphonated polybenzimidazole alkyl. Sulfonated polystyrene, sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK), sulfonated polyphenylene (S-PPP), and the like. 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高分子電解質以外の材料が高分子電解質として用いられてもよい。この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挙げられる。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、高分子電解質として利用できる。   Materials other than the polymer electrolyte constituting the solid polymer electrolyte membrane described above may be used as the polymer electrolyte. 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 And the like proton conductive material. A mixed conductor having both proton conductivity and electron conductivity can also be used as a polymer electrolyte.

固体高分子電解質膜の厚さは、膜電極接合体や高分子電解質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。厚さがこの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できる。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane is appropriately determined in consideration of the characteristics of the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte, and is not particularly limited. However, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 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 of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

(ガス拡散層)
ガス拡散層には、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の2つがある。以下、アノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層との区別をしないときは、単に「ガス拡散層」という。ガス拡散層は、後述するセパレータが有するガス流路を介して供給された反応ガスの触媒層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。
(Gas diffusion layer)
There are two gas diffusion layers, an anode side gas diffusion layer and a cathode side gas diffusion layer. Hereinafter, when the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer are not distinguished, they are simply referred to as “gas diffusion layer”. The gas diffusion layer has a function of promoting the diffusion of a reaction gas supplied through a gas flow path of a separator described later to the catalyst layer and a function as an electron conduction path.

ガス拡散層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できる。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。基材の厚さがこの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できる。   The material which comprises the base material of a gas diffusion layer is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. 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.

ガス拡散電極は、必要に応じて、他の部材(層)をさらに含んでもよい。例えば、触媒層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、ガス拡散層は、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 gas diffusion electrode may further include another member (layer) as necessary. For example, the gas diffusion layer may have a carbon particle layer containing carbon particles on the catalyst layer side of the base material in order to promote the discharge of excess moisture present in the catalyst layer and suppress the occurrence of the flooding phenomenon. Good.

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できる。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を用いることが好ましい。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, it is preferable to use carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black 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を用いることが好ましい。   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, it is preferable to use a fluorine-based polymer material because it is excellent in water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

上記電極触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒および高分子電解質を含む。   The electrode catalyst layer includes an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte.

(導電性担体)
導電性担体は、触媒成分を担持する担体であって、導電性を有する。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できることを意味する。
(Conductive carrier)
The conductive carrier is a carrier that supports the catalyst component and has conductivity. Any conductive carrier may be used as long as it has 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. In addition, “consisting essentially of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3% by mass or less of impurities can be allowed.

導電性担体のBET(Brunauer−Emmet−Teller)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この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できる。 The BET (Brunauer-Emmet-Teller) 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 state, but is preferably 100-1500 m 2 / g, more Preferably it is 600-1000 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。   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. As the value of “average particle diameter of conductive carrier”, a value calculated by a primary particle diameter measurement method using a transmission electron microscope (TEM) is employed.

(触媒成分)
触媒成分は、上記電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。導電性担体に担持される触媒成分は、上述した電気的化学反応を促進する触媒作用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を適宜採用できる。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、アルミニウムなどの金属、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、耐溶出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。電極触媒層の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できるが、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、金属的性質を有し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。
(Catalyst component)
The catalyst component has a function of catalyzing the electrochemical reaction. The catalyst component supported on the conductive carrier is not particularly limited as long as it has a catalytic action for promoting the above-described electrochemical reaction, and conventionally known catalyst components can be appropriately employed. Specific examples of catalyst components include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Etc. Of these, the catalyst component preferably contains at least platinum from the viewpoint of excellent catalytic activity, elution resistance, and the like. The composition of the alloy when the alloy is used as the catalyst component of the electrode catalyst layer varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art. Other metals are 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できるが、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。そして、触媒成分粒子の平均粒子径は、好ましくは0.5〜30nmであり、より好ましくは1〜20nmである。触媒成分粒子の平均粒子径がこの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できる。なお、本発明において、「触媒成分粒子の平均粒子径」の値は、X線回折における触媒成分粒子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できる。   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 appropriately employed. However, the shape of the catalyst component is preferably granular. And the average particle diameter of a catalyst component particle becomes like this. Preferably it is 0.5-30 nm, More preferably, it is 1-20 nm. When the average particle size of the catalyst component 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 component particles” is the crystal component diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component particles in X-ray diffraction, or the catalyst component examined from the transmission electron microscope image. It can be calculated as the average value of the particle 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、電極触媒の全質量に対して、好ましくは5〜70質量%であり、より好ましくは10〜60質量%であり、さらに好ましくは30〜55質量%である。触媒成分の含有率が5質量%以上であると、電極触媒の触媒性能が充分に発揮され、ひいては固体高分子形燃料電池の発電性能の向上に寄与する。一方、触媒成分の含有率が70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、触媒成分が高分散状態で担持されるため、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 5 to 70% by mass, more preferably 10 to 60% by mass, and further preferably 30 to 55% by mass with respect to the total mass of the electrode catalyst. %. When the content of the catalyst component is 5% by mass or more, the catalyst performance of the electrode catalyst is sufficiently exerted, which contributes to the improvement of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell. On the other hand, the catalyst component content of 70% 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 supported in a highly dispersed state. In addition, as a value of the ratio of content mentioned above, the value measured by ICP emission spectrometry shall be employ | adopted.

(高分子電解質)
高分子電解質は、電極触媒層のプロトン伝導性を向上させる機能を有する。電極触媒層に含まれる高分子電解質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できる。例えば、電極触媒層に含まれる高分子電解質としては、上述した固体高分子電解質膜を構成する高分子電解質を同様に用いることができる。そのため、高分子電解質の具体的な形態の詳細はここでは省略する。なお、電極触媒層に含まれる高分子電解質は、1種単独であってもよいし、2種以上であってもよい。
(Polymer electrolyte)
The polymer electrolyte has a function of improving the proton conductivity of the electrode catalyst layer. There is no restriction | limiting in particular in the specific form of the polymer electrolyte contained in an electrode catalyst layer, The conventionally well-known knowledge can be referred suitably in the technical field of a fuel cell. For example, as the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer, the polymer electrolyte constituting the solid polymer electrolyte membrane described above can be similarly used. Therefore, details of the specific form of the polymer electrolyte are omitted here. The polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer may be one kind alone or two or more kinds.

電極触媒層に含まれる高分子電解質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、0.8〜1.5mmol/gであることが好ましく、1.0〜1.5mmol/gであることがより好ましい。なお、高分子電解質の「イオン交換容量」とは、高分子電解質の単位乾燥質量当りのスルホン酸基のmol数を意味する。「イオン交換容量」の値は、高分子電解質分散液の分散媒を加熱乾燥など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、算出できる。   The ion exchange capacity of the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer is preferably 0.8 to 1.5 mmol / g, and preferably 1.0 to 1.5 mmol / g from the viewpoint of excellent ion conductivity. It is more preferable. The “ion exchange capacity” of the polymer electrolyte means the number of moles of sulfonic acid groups per unit dry mass of the polymer electrolyte. The value of “ion exchange capacity” can be calculated by removing the dispersion medium of the polymer electrolyte dispersion by heat drying or the like to obtain a solid polymer electrolyte, and performing neutralization titration.

電極触媒層における高分子電解質の含有量についても特に制限はない。ただし、電極触媒層における導電性担体の含有量に対する高分子電解質の含有量の質量比(高分子電解質/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0.6〜1.5であり、さらに好ましくは0.8〜1.3である。アイオノマー/導電性担体の質量比が0.8以上であると、膜電極接合体の内部抵抗値の抑制という観点から好ましい。一方、アイオノマー/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 restriction | limiting in particular also about content of the polymer electrolyte in an electrode catalyst layer. However, the mass ratio of the content of the polymer electrolyte to the content of the electroconductive carrier in the electrode catalyst layer (the mass ratio of the polymer electrolyte / the electroconductive carrier) is preferably 0.5 to 2.0, and more preferably. Is 0.6 to 1.5, more preferably 0.8 to 1.3. The mass ratio of ionomer / conductive carrier is preferably 0.8 or more from the viewpoint of suppressing the internal resistance value of the membrane / electrode assembly. On the other hand, the ionomer / conductive carrier mass ratio is preferably 1.3 or less from the viewpoint of suppressing flooding.

[膜電極接合体の製造方法]
本発明の膜電極接合体の製造方法は特に制限されず、膜電極接合体の製造分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造できる。以下、本発明の膜電極接合体の製造方法を簡単に説明するが、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り、以下の形態のみに制限されない。
[Production method of membrane electrode assembly]
The manufacturing method of the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited, and can be manufactured by appropriately referring to conventionally known knowledge in the field of manufacturing membrane electrode assemblies. Hereinafter, although the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention is demonstrated easily, the technical scope of this invention should be defined based on description of a claim, and is not restrict | limited only to the following forms.

本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面にアノード側およびカソード側の電極触媒層を形成し、これをガス拡散層で挟持することにより製造できる。電極触媒層は、上記のような電極触媒、高分子電解質および溶媒などからなる触媒インクを、固体高分子電解質膜にスプレー法、スクリーンプリンター塗布/転写法(以下、単に「転写法」とも称する)などの従来公知の方法を用いて塗布することにより製造できる。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be produced by forming anode-side and cathode-side electrode catalyst layers on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and sandwiching them between gas diffusion layers. The electrode catalyst layer is formed by spraying a catalyst ink comprising the above electrode catalyst, polymer electrolyte and solvent onto a solid polymer electrolyte membrane, a screen printer coating / transfer method (hereinafter also simply referred to as “transfer method”). It can manufacture by apply | coating using conventionally well-known methods, such as.

電極触媒は、導電性担体に触媒成分を担持させることによって調製する。導電性担体に触媒成分を担持させるには、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル法(マイクロエマルジョン法)などの従来公知の方法を用いて行えばよい。また、市販されている電極触媒を用いてもよい。   The electrode catalyst is prepared by supporting a catalyst component on a conductive carrier. In order to support the catalyst component on the conductive carrier, a conventionally known method such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle method (microemulsion method) is used. You can use it. Moreover, you may use the electrode catalyst marketed.

溶媒としては、特に制限されず、電極触媒層を形成するのに使用される通常の溶媒が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノール(EtOH)や1−プロパノール(NPA)、2−プロパノールなどの低級アルコールが使用できる。溶媒の使用量も、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。触媒インクに含まれる電極触媒の量は、所望の作用、すなわち、アノード側での水素の酸化反応またはカソード側での酸素の還元反応を触媒する作用を十分発揮できる量であれば、特に制限されない。触媒インク中の電極触媒の量は、好ましくは3〜30質量%、より好ましくは5〜20質量%である。高分子電解質もまた、電極触媒と同様の量/割合で存在することが好ましい。   It does not restrict | limit especially as a solvent, The normal solvent used in forming an electrode catalyst layer can be used similarly. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol (EtOH), 1-propanol (NPA), and 2-propanol can be used. The amount of the solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. The amount of the electrocatalyst contained in the catalyst ink is not particularly limited as long as the amount can sufficiently exhibit a desired action, that is, an action of catalyzing an oxidation reaction of hydrogen on the anode side or an oxygen reduction reaction on the cathode side. . The amount of the electrode catalyst in the catalyst ink is preferably 3 to 30% by mass, more preferably 5 to 20% by mass. The polymer electrolyte is also preferably present in the same amount / ratio as the electrode catalyst.

また、触媒インクを転写法によって塗布する場合などには、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。これらのうち、プロピレングリコール(PG)が好ましく使用される。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜40質量%である。   Further, when the catalyst ink is applied by a transfer method, a thickener may be included. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). Of these, propylene glycol (PG) is preferably used. The amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 40 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

触媒インクは、上記の電極触媒、高分子電解質および溶媒などを混合、分散することによって調製できる。高分子電解質は、予め上記の溶媒中に分散された高分子電解質分散液として用いてもよい。前記触媒インクを調製する際に、攪拌時間などを調整することにより導電性担体の分散性を調整してもよい。これにより、得られる電極触媒層における空孔径、空隙率や面抵抗値などを調整できる。攪拌手段としては、ホモジナイザ、超音波分散装置、サンドミル、ジェットミル、ビーズミルなどの従来公知の手段が挙げられる。この際、上述したような空孔構造を得るための、触媒インク中の触媒成分粒子の平均体積粒子径(二次粒子径)は、一般的には0.1〜2.0μmであり、好ましくは0.3〜1.0μmであり、より好ましくは0.450〜0.900μmである。なお、ここでいう平均体積粒子径は、レーザー回折・散乱式の粒度分布測定装置で得られた値を採用する。   The catalyst ink can be prepared by mixing and dispersing the above electrode catalyst, polymer electrolyte, solvent and the like. The polymer electrolyte may be used as a polymer electrolyte dispersion previously dispersed in the above solvent. When preparing the catalyst ink, the dispersibility of the conductive carrier may be adjusted by adjusting the stirring time and the like. Thereby, the hole diameter, porosity, surface resistance value, etc. in the obtained electrode catalyst layer can be adjusted. Examples of the agitation means include conventionally known means such as a homogenizer, an ultrasonic dispersion device, a sand mill, a jet mill, and a bead mill. At this time, the average volume particle diameter (secondary particle diameter) of the catalyst component particles in the catalyst ink for obtaining the pore structure as described above is generally 0.1 to 2.0 μm, preferably Is 0.3 to 1.0 μm, more preferably 0.450 to 0.900 μm. In addition, the value obtained with the laser diffraction and scattering type particle size distribution measuring apparatus is employ | adopted for an average volume particle diameter here.

電極触媒層の形成には、従来公知の方法を用いることができる。例えば、固体高分子電解質膜に直接塗布して乾燥する方法などがある。また、触媒インクを基材(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート)上に塗布、乾燥して電極触媒層を形成し、これを固体高分子電解質膜に転写する方法などがある。また、ガス拡散層の片方の面に電極触媒層を形成してもよい。塗布方法としては、スプレー法、スクリーンプリンター法、ドクターブレード法、ダイコーター法など従来公知の方法を用いることができる。固体高分子電解質膜とで触媒インクの塗布量は、電極触媒が電気化学反応を触媒する作用を十分発揮できる量であれば特に制限されないが、単位面積あたりの触媒成分の質量が0.05〜1mg/cmとなるように塗布することが好ましい。また、塗布する触媒インクの厚さは、乾燥後に5〜30μmとなるように塗布することが好ましい。なお、上記の触媒インクの塗布量および厚さは、アノード側およびカソード側で同じである必要はなく、適宜調整することができる。 A conventionally well-known method can be used for formation of an electrode catalyst layer. For example, there is a method of directly applying to a solid polymer electrolyte membrane and drying. In addition, there is a method in which a catalyst ink is applied on a substrate (for example, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet) and dried to form an electrode catalyst layer, which is transferred to a solid polymer electrolyte membrane. An electrode catalyst layer may be formed on one side of the gas diffusion layer. As a coating method, a conventionally known method such as a spray method, a screen printer method, a doctor blade method, or a die coater method can be used. The coating amount of the catalyst ink with the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as the electrode catalyst can sufficiently exert the action of catalyzing the electrochemical reaction, but the mass of the catalyst component per unit area is 0.05 to It is preferable to apply so as to be 1 mg / cm 2 . Moreover, it is preferable to apply | coat so that the thickness of the catalyst ink to apply | coat may be 5-30 micrometers after drying. The application amount and thickness of the catalyst ink need not be the same on the anode side and the cathode side, and can be adjusted as appropriate.

本発明に係る電極触媒層の製造方法においては、上述のとおり、従来公知の方法を適宜採用することができるが、以下で特に好ましい形態を説明する。   In the method for producing an electrode catalyst layer according to the present invention, a conventionally known method can be appropriately employed as described above, and a particularly preferable embodiment will be described below.

触媒インクの塗布方法は、転写法またはスプレー法を用いることが特に好ましい。転写法を用いる場合、触媒インクを均一に塗布する観点から、触媒インクに上述の増粘剤を添加することが好ましい。増粘剤の中でも、プロピレングリコールが好適に用いられる。そして、塗布後の触媒インクの乾燥を、分散媒が0.7mg/分以下の速度で揮発する条件で行うことが好ましい。この際、触媒インクの乾燥のために、適宜加熱してもよい。このように比較的ゆっくり触媒インクを乾燥することにより、排水性およびガス拡散性に寄与する、比較的大きい空孔径を有する空孔が均一に形成されうる。また、スプレー法を用いる場合、塗布後の触媒インクの乾燥を、分散媒が0.7mg/分以上の速度で揮発する条件で行うことが好ましい。この際、触媒インクの乾燥のために、適宜加熱してもよい。このように比較的早く触媒インクを乾燥することにより、電極触媒層内に比較的小さい空孔径を有する空孔が均一に形成されうる。このような空孔は排水性およびガス拡散性が良好であるだけでなく、アイオノマーネットワークが良好に形成され、保水性の高い電極触媒層が得られうる。   As a method for applying the catalyst ink, it is particularly preferable to use a transfer method or a spray method. When using the transfer method, it is preferable to add the above-mentioned thickener to the catalyst ink from the viewpoint of uniformly applying the catalyst ink. Among the thickeners, propylene glycol is preferably used. And it is preferable to dry the catalyst ink after application | coating on the conditions by which a dispersion medium volatilizes at a speed | rate of 0.7 mg / min or less. At this time, the catalyst ink may be appropriately heated for drying. By drying the catalyst ink relatively slowly as described above, pores having a relatively large pore diameter contributing to drainage and gas diffusibility can be uniformly formed. Moreover, when using a spray method, it is preferable to dry the catalyst ink after application | coating on the conditions which a dispersion medium volatilizes at a speed | rate of 0.7 mg / min or more. At this time, the catalyst ink may be appropriately heated for drying. By thus drying the catalyst ink relatively quickly, the holes having a relatively small hole diameter can be uniformly formed in the electrode catalyst layer. Such pores not only have good drainage and gas diffusibility, but also have a good ionomer network, and an electrocatalyst layer with high water retention can be obtained.

本発明の膜電極接合体は、ガス拡散層をさらに有する。膜電極接合体の形成には、従来公知の方法を用いることができる。例えば、固体高分子電解質膜上に形成された電極触媒層を一対のガス拡散層で挟持させて、これを接合することによって膜電極接合体が製造できる。またはガス拡散層の片面に電極触媒層を形成し、電極触媒層が対向するように1対のガス拡散層で固体高分子電解質膜を挟持させて、これを接合することによって製造してもよい。   The membrane electrode assembly of the present invention further has a gas diffusion layer. A conventionally known method can be used for forming the membrane electrode assembly. For example, a membrane electrode assembly can be produced by sandwiching an electrode catalyst layer formed on a solid polymer electrolyte membrane between a pair of gas diffusion layers and bonding them. Alternatively, it may be produced by forming an electrode catalyst layer on one side of the gas diffusion layer, sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between the pair of gas diffusion layers so that the electrode catalyst layers face each other, and bonding them. .

[燃料電池]
本発明の燃料電池は、本発明の膜電極接合体と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。
[Fuel cell]
The fuel cell of the present invention comprises a pair of membrane electrode assemblies of the present invention, a pair of anode side separators having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. And a separator.

図3は、本発明の燃料電池の一実施形態である、固体高分子形燃料電池(PEFC)の一般的な全体構造を模式的に表した断面外略図である。なお、図3には固体高分子形燃料電池の単セルが図示されている。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) which is an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 3 shows a single cell of a polymer electrolyte fuel cell.

図3に示す固体高分子形燃料電池200は、本発明の膜電極接合体100を有する。そして、固体高分子形燃料電池200において、膜電極接合体100は、アノード側セパレータ150aおよびカソード側セパレータ150cからなる一対のセパレータにより挟持されている。ここで、アノード側セパレータ150aのアノード側ガス拡散層140a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。一方、カソード側セパレータ150cのカソード側ガス拡散層140c側の表面には、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。そして、固体高分子形燃料電池200の周囲には、一対のガス拡散電極を包囲するように、ガスケット160が配置されている。   A polymer electrolyte fuel cell 200 shown in FIG. 3 has the membrane electrode assembly 100 of the present invention. In the polymer electrolyte fuel cell 200, the membrane electrode assembly 100 is sandwiched between a pair of separators including an anode side separator 150a and a cathode side separator 150c. Here, the anode side gas diffusion layer 140a side surface of the anode side separator 150a is provided with a fuel gas passage 152a through which fuel gas flows during operation, and the coolant flows through the opposite surface during operation. A cooling flow path (not shown) is provided. On the other hand, an oxidant gas passage 152c through which an oxidant gas flows during operation is provided on the cathode side gas diffusion layer 140c side surface of the cathode side separator 150c, and a coolant is provided on the opposite surface during operation. A cooling flow path (not shown) through which is circulated is provided. A gasket 160 is disposed around the polymer electrolyte fuel cell 200 so as to surround the pair of gas diffusion electrodes.

上記のような、本発明の膜電極接合体を有する燃料電池は、高加湿条件下において、優れた発電性能を発揮する。   The fuel cell having the membrane electrode assembly of the present invention as described above exhibits excellent power generation performance under high humidification conditions.

以下、本発明の燃料電池を構成する部材について簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   Hereinafter, although the member which comprises the fuel cell of this invention is demonstrated easily, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

(セパレータ)
セパレータは、固体高分子形燃料電池など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に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。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、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。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、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(Separator)
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell 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. 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 employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

(ガスケット)
ガスケットは、一対の電極触媒層およびガス拡散層を包囲するように燃料電池の周囲に配置され、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。ガス拡散電極とは、ガス拡散層および電極触媒層の接合体をいう。ガスケット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などのゴム材料、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)など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など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。
(gasket)
The gasket is disposed around the fuel cell so as to surround the pair of electrode catalyst layers and the gas diffusion layer, and has a function of preventing the gas supplied to the catalyst layer from leaking to the outside. A gas diffusion electrode refers to a joined body of a gas diffusion layer and an electrode catalyst layer. The material constituting the gasket is not particularly limited, but rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), Examples thereof include 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.

[燃料電池の運転方法]
さらに、本発明は、上記燃料電池の運転方法を提供する。上述したように、本発明に係る電極触媒層は、ガス拡散性および保水性が高い。よって、この電極触媒層を有する本発明の燃料電池は、特に、高加湿条件下において、優れた発電性能を有する。そこで、上記空孔構造を有する電極触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスを高加湿条件で供給して燃料電池を運転することによって、本発明の効果がより顕著なものとなる。
[Operating method of fuel cell]
Furthermore, the present invention provides a method for operating the fuel cell. As described above, the electrode catalyst layer according to the present invention has high gas diffusibility and water retention. Therefore, the fuel cell of the present invention having this electrode catalyst layer has excellent power generation performance particularly under high humidification conditions. Therefore, the effect of the present invention becomes more prominent by operating the fuel cell by supplying fuel gas or oxidant gas to the electrode catalyst layer having the pore structure under high humidification conditions.

本発明の燃料電池の運転方法は、アノード触媒層の少なくとも一部が上記空孔構造を有する場合に、燃料ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給し、カソード触媒層の少なくとも一部が上記空孔構造を有する場合に、酸化剤ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給することを特徴とする。燃料ガスまたは酸化剤ガスの相対湿度は、好ましくは80〜100%、より好ましくは90〜100%、さらに好ましくは95〜100%である。燃料ガスまたは酸化剤ガスの相対湿度が70〜100%であれば、本発明の燃料電池の発電性能は、従来の燃料電池と比較してより向上する。なお、燃料ガスまたは酸化剤ガスの相対湿度は、ガス流路のセルへの入り口付近における相対湿度とする。   In the fuel cell operating method of the present invention, when at least a part of the anode catalyst layer has the above-described pore structure, the fuel gas is supplied at a relative humidity of 70 to 100%, and at least a part of the cathode catalyst layer is In the case of having the pore structure, the oxidizing gas is supplied under the condition of relative humidity of 70 to 100%. The relative humidity of the fuel gas or oxidant gas is preferably 80 to 100%, more preferably 90 to 100%, and still more preferably 95 to 100%. When the relative humidity of the fuel gas or the oxidant gas is 70 to 100%, the power generation performance of the fuel cell of the present invention is further improved as compared with the conventional fuel cell. The relative humidity of the fuel gas or oxidant gas is the relative humidity in the vicinity of the entrance to the cell of the gas flow path.

燃料ガスおよび酸化剤ガスの種類、供給量、および供給温度、ならびに燃料電池の運転温度などのその他の条件は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知の運転方法が適宜採用できる。   Other conditions such as the type of fuel gas and oxidant gas, supply amount, supply temperature, and operating temperature of the fuel cell are not particularly limited, and conventionally known operating methods in the technical field of fuel cells can be appropriately employed.

この運転方法のうち、好ましくは、カソード触媒層の少なくとも一部が上記空孔構造を有し、前記燃料ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給する。カソード触媒層は、アノード側と比較して高加湿条件になり易いため、このような運転方法によると、本発明の燃料電池の発電性能がさらに向上する。   Among these operating methods, preferably, at least a part of the cathode catalyst layer has the above-described pore structure, and the fuel gas is supplied under the condition of a relative humidity of 70 to 100%. Since the cathode catalyst layer is likely to be in a high humidification condition as compared with the anode side, the power generation performance of the fuel cell of the present invention is further improved by such an operation method.

[車両]
上述した本発明の燃料電池や燃料電池スタックを搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。本発明の燃料電池や燃料電池スタックは、高加湿条件における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。
[vehicle]
A vehicle equipped with the above-described fuel cell or fuel cell stack of the present invention is also included in the technical scope of the present invention. Since the fuel cell and fuel cell stack of the present invention are very excellent in output performance under high humidification conditions, they are suitable for vehicle applications that require high output.

本発明の作用効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effect of this invention is demonstrated using a following example and a comparative example. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

以下の実施例および比較例では、カソード触媒層の最頻空孔直径および半値幅/ピーク高さ、半値幅、ならびに全空孔容積を変えて膜電極接合体を作製し、この膜電極接合体を配した固体高分子形燃料電池単セルの発電性能を評価した。   In the following Examples and Comparative Examples, membrane electrode assemblies were prepared by changing the mode pore diameter and the half-value width / peak height, half-value width, and total pore volume of the cathode catalyst layer. The power generation performance of a single polymer electrolyte fuel cell unit was evaluated.

具体的には、実施例1〜6および比較例1〜3の膜電極接合体を、下記のようにして作製した。   Specifically, the membrane electrode assemblies of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were produced as follows.

[膜電極接合体の作製]
(カソード用触媒インクの調製)
<実施例1>
導電性担体としてのカーボンブラックに白金を触媒成分として担持した触媒担持体(白金含有率46質量%)16g、高分子電解質分散液(イオン交換容量1.0mmol/g、電解質含有率12質量%、イオン交換水含有率88質量%)70g、イオン交換水3g、1−プロパノール16g、プロピレングリコール49gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.770μm)を得た。
[Production of membrane electrode assembly]
(Preparation of cathode catalyst ink)
<Example 1>
16 g of a catalyst carrier (platinum content: 46% by mass) in which platinum is supported as a catalyst component on carbon black as a conductive carrier, a polymer electrolyte dispersion (ion exchange capacity: 1.0 mmol / g, electrolyte content: 12% by mass, 70 g of ion-exchanged water content (88% by mass), 3 g of ion-exchanged water, 16 g of 1-propanol, and 49 g of propylene glycol were mixed, and mixed and dispersed for 10 minutes using a sand mill, whereby the cathode catalyst ink (average volume of catalyst particles) A particle diameter of 0.770 μm) was obtained.

<実施例2>
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液70g、イオン交換水3g、エタノール16g、プロピレングリコール49gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.820μm)を得た。
<Example 2>
By mixing 16 g of the same catalyst carrier as in Example 1, 70 g of the same polymer electrolyte dispersion as in Example 1, 3 g of ion exchange water, 16 g of ethanol, and 49 g of propylene glycol, and mixing and dispersing for 10 minutes using a sand mill. A catalyst ink for cathode (average volume particle diameter of catalyst particles 0.820 μm) was obtained.

<実施例3>
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液70g、イオン交換水19g、1−プロパノール16g、プロピレングリコール32gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.840μm)を得た。
<Example 3>
16 g of the catalyst carrier as in Example 1, 70 g of the polymer electrolyte dispersion as in Example 1, 19 g of ion exchange water, 16 g of 1-propanol, and 32 g of propylene glycol are mixed and dispersed for 10 minutes using a sand mill. Thus, a catalyst ink for cathode (average volume particle diameter of catalyst particles 0.840 μm) was obtained.

<実施例4>
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液37g、イオン交換水18g、プロピレングリコール78gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.860μm)を得た。
<Example 4>
16 g of the catalyst support similar to that of Example 1, 37 g of the polymer electrolyte dispersion similar to that of Example 1, 18 g of ion-exchanged water, and 78 g of propylene glycol were mixed and dispersed for 10 minutes using a sand mill. A catalyst ink (average volume particle diameter of catalyst particles 0.860 μm) was obtained.

<実施例5>
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液30g、イオン交換水2g、1−プロパノール112gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.488μm)を得た。
<Example 5>
By mixing 7 g of the same catalyst carrier as in Example 1, 30 g of the same polymer electrolyte dispersion as in Example 1, 2 g of ion-exchanged water, and 112 g of 1-propanol, and mixing and dispersing for 30 minutes using a sand mill, Catalyst ink (average volume particle diameter of catalyst particles 0.488 μm) was obtained.

<実施例6>
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液30g、イオン交換水57g、プロピレングリコール56gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.538μm)を得た。
<Example 6>
7 g of the catalyst support similar to Example 1, 30 g of the polymer electrolyte dispersion similar to Example 1, 57 g of ion exchange water, and 56 g of propylene glycol were mixed and dispersed for 30 minutes using a sand mill. Catalyst ink (average particle diameter of catalyst particles 0.538 μm) was obtained.

<比較例1>
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液16g、イオン交換水78g、1−プロパノール49gを混合し、サンドミルを用いて120分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.380μm)を得た。
<Comparative Example 1>
By mixing 7 g of the catalyst carrier as in Example 1, 16 g of the polymer electrolyte dispersion as in Example 1, 78 g of ion-exchanged water, and 49 g of 1-propanol, and mixing and dispersing for 120 minutes using a sand mill, Catalyst ink (average volume particle diameter of catalyst particles 0.380 μm) was obtained.

<比較例2>
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液16g、イオン交換水78g、1−プロパノール49gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.528μm)を得た。
<Comparative Example 2>
By mixing 7 g of the catalyst carrier as in Example 1, 16 g of the polymer electrolyte dispersion as in Example 1, 78 g of ion-exchanged water, and 49 g of 1-propanol, and mixing and dispersing for 30 minutes using a sand mill, Catalyst ink (average volume particle diameter of catalyst particles 0.528 μm) was obtained.

<比較例3>
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液30g、イオン交換水57g、メタノール56gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.489μm)を得た。
<Comparative Example 3>
A catalyst for cathode is prepared by mixing 7 g of the same catalyst carrier as in Example 1, 30 g of the same polymer electrolyte dispersion as in Example 1, 57 g of ion exchange water, and 56 g of methanol, and mixing and dispersing for 30 minutes using a sand mill. An ink (average volume particle diameter of catalyst particles: 0.489 μm) was obtained.

(アノード用触媒インクの調製)
導電性担体としてのカーボンブラックに、白金を触媒成分として担持した触媒担持体(白金含有率46質量%)5g、高分子電解質分散液(イオン交換容量1.0mmol/g、電解質含有率22質量%、1−プロパノール含有率42質量%、イオン交換水含有率36質量%)11g、イオン交換水81g、1−プロパノール52gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、アノード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.420μm)を得た。
(Preparation of catalyst ink for anode)
5 g of a catalyst carrier (platinum content 46 mass%) carrying platinum as a catalyst component on carbon black as a conductive carrier, a polymer electrolyte dispersion (ion exchange capacity 1.0 mmol / g, electrolyte content 22 mass%) 1-propanol content 42 mass%, ion-exchange water content 36 mass%) 11 g, ion-exchange water 81 g and 1-propanol 52 g are mixed and dispersed for 30 minutes by using a sand mill, whereby anode catalyst ink (The average volume particle diameter of the catalyst particles was 0.420 μm).

(電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体の作製)
<実施例1〜4>
80mm四方の正方形で厚さ80μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シートを2枚用意した。このPTFE製シートの片面にカソード用触媒インクを0.3mg−Pt/cmとなるようにスクリーンプリンターを用いて塗布後、130℃のドライオーブン中で30分間乾燥した。もう1枚のPTFE製シートの片面にアノード用触媒インクを0.1mg−Pt/cmとなるように、スクリーンプリンターを用いて塗布後、130℃のドライオーブン中で30分間乾燥した。
(Production of electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly)
<Examples 1-4>
Two sheets of polytetrafluoroethylene (PTFE) 80 mm square and 80 μm thick were prepared. The cathode catalyst ink was applied to one side of this PTFE sheet so as to be 0.3 mg-Pt / cm 2 using a screen printer, and then dried in a dry oven at 130 ° C. for 30 minutes. The anode catalyst ink was applied to one side of another PTFE sheet so as to be 0.1 mg-Pt / cm 2 using a screen printer, and then dried in a 130 ° C. dry oven for 30 minutes.

80mm四方の正方形で厚さ25μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製、NAFION NRE−211)を用意した。この固体高分子電解質膜を挟んで、上記でアノード用電極触媒層を形成したPTFE製シートおよびカソード用電極触媒層を形成したPTFE製シートを両電極触媒層が対向するように重ねた。さらに80mm四方の正方形で厚さ0.5mmのステンレススチール製板2枚で挟み、PTFE製シートを0.8MPaの圧力で、130℃で、10分間ホットプレスした。冷却後PTFE製シートのみを剥がすことで高分子電解質膜に触媒層を転写し、電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を得た。   A solid polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont, NAFION NRE-211) having a square of 80 mm square and a thickness of 25 μm was prepared. The PTFE sheet on which the anode electrode catalyst layer was formed and the PTFE sheet on which the cathode electrode catalyst layer was formed were overlapped with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween so that both electrode catalyst layers were opposed to each other. Further, it was sandwiched between two stainless steel plates each having a square of 80 mm and a thickness of 0.5 mm, and a PTFE sheet was hot pressed at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 0.8 MPa. After cooling, only the PTFE sheet was peeled off to transfer the catalyst layer to the polymer electrolyte membrane to obtain an electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly.

<実施例5および6ならびに比較例1〜3>
80mm四方の正方形で厚さ25μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製、NAFION NRE−211)を用意した。この固体高分子電解質膜の片面にアノード用触媒インクを0.1mg−Pt/cmとなるように、スプレーコーティングにより塗布後、80℃のホットプレート上で15分間乾燥した。この固体高分子電解質膜のもう一方の面にカソード用触媒インクを0.3mg−Pt/cmとなるように、スプレーコーティングにより塗布後、80℃のホットプレート上で15分間乾燥し(実施例6のみ、この後さらに130℃のドライオーブン中で30分間乾燥した)、電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を得た。
<Examples 5 and 6 and Comparative Examples 1-3>
A solid polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont, NAFION NRE-211) having a square of 80 mm square and a thickness of 25 μm was prepared. The anode catalyst ink was applied by spray coating on one surface of the solid polymer electrolyte membrane so as to be 0.1 mg-Pt / cm 2, and then dried on a hot plate at 80 ° C. for 15 minutes. The cathode catalyst ink was applied to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane by spray coating so as to be 0.3 mg-Pt / cm 2, and then dried on an 80 ° C. hot plate for 15 minutes (Example) No. 6 was further dried in a dry oven at 130 ° C. for 30 minutes) to obtain an electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly.

(評価用燃料電池単セルの作製)
上記で作製した電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を挟むように、2枚のガス拡散層(SGLカーボン社製、GDL25BC)をガス拡散層のカーボン粒子層が対向するように重ねて膜電極接合体とした。これを2枚のグラファイト製セパレータ、2枚の金メッキしたステンレススチール製集電板、2枚のステンレススチール製エンドプレートの順序で挟持し、評価用燃料電池単セルとした。
(Preparation of single fuel cell for evaluation)
Two gas diffusion layers (SGL Carbon, GDL25BC) are stacked so that the carbon particle layers of the gas diffusion layers face each other so as to sandwich the electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly produced above. An electrode assembly was obtained. This was sandwiched in the order of two graphite separators, two gold-plated stainless steel current collector plates, and two stainless steel end plates to form a single fuel cell for evaluation.

[電極触媒層の空孔構造の評価]
カソード用触媒インクを固体高分子電解質膜の両面に0.3mg−Pt/cmになるように塗布した。それ以外は、上記の電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体の作製と同様の方法で、実施例1〜6および比較例1〜4の電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を作製した。得られた電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を20cmに切り出し、これをセル容積約6cc、ステム容積約0.39ccの測定用セル内に導入した。この測定用セルをオートポアIV 9510型(マイクロメリティクス製)にセットして水銀圧入量の測定を実施し、空孔直径が400μm〜3nmの範囲の、積算空孔容積(cm/g−Pt)、およびログ微分空孔容積(cm/g−Pt)を得た。
[Evaluation of pore structure of electrode catalyst layer]
Cathode catalyst ink was applied to both sides of the solid polymer electrolyte membrane so as to be 0.3 mg-Pt / cm 2 . Otherwise, the electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 was produced in the same manner as the production of the electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly. did. The obtained electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly was cut into 20 cm 2 and introduced into a measuring cell having a cell volume of about 6 cc and a stem volume of about 0.39 cc. This measurement cell was set in Autopore IV 9510 type (manufactured by Micromeritics), and the mercury intrusion amount was measured, and the accumulated pore volume (cm 3 / g-Pt) having a pore diameter in the range of 400 μm to 3 nm. ) And log differential pore volume (cm 3 / g-Pt).

[電解質抵抗値の測定]
周波数応答解析器(Frequency Response Analyzer;FRA)に接続した電位・電流を制御するポテンシオ・ガルバノスタットを用い、電気化学的な交流インピーダンス測定により電解質抵抗値を算出した。FRAは正弦波発信回路を内蔵し、変調周波数を自動走査してインピーダンスのスペクトルを決める。FRAから正弦波信号をポテンシオ・ガルバノスタットに送り、ポテンシオ・ガルバノスタットが正弦波電位変調をセルに与えて、応答電流を測定する。変調電位と変調電流はポテンシオ・ガルバノスタットからFRAに出力され、各周波数でのインピーダンスが決定される。ここで測定条件を、印加電位450mV、電位振幅10mV、周波数範囲100mHz〜15kHzとした。
[Measurement of electrolyte resistance]
The electrolyte resistance value was calculated by electrochemical AC impedance measurement using a potentio galvanostat that controls the potential and current connected to a frequency response analyzer (FRA). The FRA has a built-in sine wave transmission circuit and automatically scans the modulation frequency to determine the impedance spectrum. A sine wave signal is sent from the FRA to the potentio galvanostat, and the potentio galvanostat applies sine wave potential modulation to the cell to measure the response current. The modulation potential and the modulation current are output from the potentio galvanostat to the FRA, and the impedance at each frequency is determined. Here, the measurement conditions were an applied potential of 450 mV, a potential amplitude of 10 mV, and a frequency range of 100 mHz to 15 kHz.

このようにして得られたインピーダンスを複素平面に表示し(ナイキストプロット)、このナイキストプロットから文献(M. Lefebvre et al, Elec. & Solid State Letters,2(6)259−261(1999))記載の手法で電解質抵抗値を算出した。具体的にはナイキストプロットの直線部分と実軸との交点と、プロットの実軸との交点との差を3倍することで触媒層中の電解質抵抗値を算出した。
[燃料電池単セルの評価]
燃料電池単セルの温度を80℃とし、ガス流路のセルへの入り口付近の相対湿度(RH)を40%、70%、または100%に設定した。そして、常圧下で、アノード側から水素を毎分4Lの流量で供給し、カソード側から空気を毎分8Lの流量で供給することにより燃料電池単セルの運転を行った。この条件で、電流密度1A/cmのときの単セル電圧を測定した。また、40%RH、70%RH、および100%RH条件下で測定した電圧のうちで最大の電圧(最大電圧)を基準とした、各々のRH条件下で測定した電圧(測定電圧)の変化率(%)を下記数式1に従って算出した。
The impedance obtained in this way is displayed on a complex plane (Nyquist plot), and from this Nyquist plot, the literature (M. Lefebvre et al, Elec. & Solid State Letters, 2 (6) 259-261 (1999)) is described. The electrolyte resistance value was calculated by the method. Specifically, the electrolyte resistance value in the catalyst layer was calculated by multiplying the difference between the intersection of the linear portion of the Nyquist plot and the real axis and the intersection of the real axis of the plot by three times.
[Evaluation of single fuel cell]
The temperature of the single fuel cell was set to 80 ° C., and the relative humidity (RH) near the entrance to the cell of the gas flow path was set to 40%, 70%, or 100%. Then, under normal pressure, the fuel cell single cell was operated by supplying hydrogen from the anode side at a flow rate of 4 L / min and supplying air from the cathode side at a flow rate of 8 L / min. Under this condition, the single cell voltage at a current density of 1 A / cm 2 was measured. Moreover, the change of the voltage (measurement voltage) measured on each RH condition on the basis of the maximum voltage (maximum voltage) among the voltages measured on 40% RH, 70% RH, and 100% RH conditions The rate (%) was calculated according to Equation 1 below.

Figure 2009238496
Figure 2009238496

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

Figure 2009238496
Figure 2009238496

表1に示す結果より、最頻空孔径が0.045〜0.060μmの範囲に存在し、最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.045μm/(cm−1)以下である実施例1〜6は、その範囲に最頻空孔径と半値幅/ピーク高さの値を有しない比較例1〜3と比較して、相対湿度100%の際に、高い出力密度を示した。実施例のうち、最頻空孔径が0.050〜0.060μmの範囲に存在する実施例1〜4は、実施例5および6と比較して、相対湿度100%の際に、よりいっそう高い出力密度を示した。一方、最頻空孔径が0.045〜0.050μmの範囲に存在し、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.025μm/(cm−1)以下である実施例5および6は、実施例1〜4と比較して、相対湿度40%の際に高い出力密度を有し、各相対湿度条件下での最大電圧に対する変化率(%)の絶対値が小さかった。すなわち、実施例5および6は、実施例1〜4と比較して、加湿ロバスト性に優れ、広い加湿範囲においても良好な発電性能を有することが示された。 From the results shown in Table 1, the mode pore diameter is in the range of 0.045 to 0.060 μm, and the ratio of the half-value width to the peak height of the peak of the mode pore diameter is 0.045 μm / (cm 3 g − 1 ) The following Examples 1 to 6 are higher when the relative humidity is 100% compared to Comparative Examples 1 to 3 that do not have the most frequent pore diameter and half width / peak height values in the range. The power density is shown. Among Examples, Examples 1 to 4 having a modest hole diameter in the range of 0.050 to 0.060 μm are much higher than those of Examples 5 and 6 at a relative humidity of 100%. The power density is shown. On the other hand, the mode hole diameter is in the range of 0.045 to 0.050 μm, and the ratio of the half-value width to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.025 μm / (cm 3 g −1 ) or less. Certain Examples 5 and 6 have a higher power density at 40% relative humidity than Examples 1-4, and the absolute value of the rate of change (%) with respect to the maximum voltage under each relative humidity condition. Was small. That is, it was shown that Examples 5 and 6 were superior in humidification robustness compared to Examples 1 to 4 and had good power generation performance even in a wide humidification range.

本発明の膜電極接合体の一般的な全体構造を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the general whole structure of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明に係る電極触媒層が有する、一般的な空孔構造の空孔分布を表したグラフである。It is a graph showing the hole distribution of the general hole structure which the electrode catalyst layer which concerns on this invention has. 本発明の燃料電池の一実施形態である、固体高分子形燃料電池の一般的な全体構造を模式的に表した断面外略図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a polymer electrolyte fuel cell which is an embodiment of a fuel cell of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 膜電極接合体、
110 固体高分子電解質膜、
120a アノード触媒層、
120c カソード触媒層、
140a アノード側ガス拡散層、
140c カソード側ガス拡散層、
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、
200 固体高分子形燃料電池。
100 membrane electrode assembly,
110 solid polymer electrolyte membrane,
120a anode catalyst layer,
120c cathode catalyst layer,
140a anode side gas diffusion layer,
140c cathode side gas diffusion layer,
150a anode side separator,
150c cathode side separator,
152a fuel gas flow path,
152c oxidant gas flow path,
160 gasket,
200 Solid polymer fuel cell.

Claims (13)

導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含むアノード触媒層触媒層およびカソード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる膜電極接合体であって、
前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の少なくとも一部に、水銀圧入法による空孔分布において(1)空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径が0.045〜0.060μmの範囲に存在し、(2)前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.045μm/(cm−1)以下である空孔構造が存在することを特徴とする、膜電極接合体。
An anode catalyst layer catalyst layer and a cathode catalyst layer containing an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte are disposed opposite to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, A membrane electrode assembly sandwiched between gas diffusion layers,
In at least a part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer, in the pore distribution by the mercury intrusion method, (1) the modest pore diameter in the range of 0.01 to 0.10 μm is 0.045 to 0. (2) There is a pore structure in which the ratio of the half-value width to the peak height of the peak of the most frequent pore diameter is 0.045 μm / (cm 3 g −1 ) or less. A membrane electrode assembly.
前記半値幅が0.045μm以下である、請求項1に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the full width at half maximum is 0.045 μm or less. 前記空孔構造において、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.40〜0.60cm−1である、請求項1または2に記載の膜電極接合体。 3. The membrane / electrode assembly according to claim 1 , wherein in the pore structure, the total pore volume in the range of pore diameters of 0.01 to 0.50 μm is 0.40 to 0.60 cm 3 g −1. . 前記最頻空孔径が0.045〜0.050μmの範囲に存在し、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.025μm/(cm−1)以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The mode hole diameter is in the range of 0.045 to 0.050 μm, and the ratio of the half-value width to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.025 μm / (cm 3 g −1 ) or less. The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3. 前記半値幅が0.030μm以下である、請求項2〜4のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 2 to 4, wherein the full width at half maximum is 0.030 µm or less. 前記空孔構造において、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.40〜0.50cm−1である、請求項3〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The said void | hole structure WHEREIN: The total void | hole volume of the range of void | hole diameters 0.01-0.50 micrometer is 0.40-0.50cm < 3 > g < -1 >, Any one of Claims 3-5. Membrane electrode assembly. 前記最頻空孔径が0.050〜0.060μmの範囲に存在する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the most frequent pore diameter is in a range of 0.050 to 0.060 µm. 前記空孔構造において、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.47〜0.60cm−1である、請求項3または7のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 8. The hole structure according to claim 3, wherein in the hole structure, a total hole volume in a range of a hole diameter of 0.01 to 0.50 μm is 0.47 to 0.60 cm 3 g −1. Membrane electrode assembly. 前記カソード触媒層の少なくとも一部が前記空孔構造を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 8, wherein at least a part of the cathode catalyst layer has the pore structure. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータと、
を有する燃料電池。
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 9,
A pair of separators comprising an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows;
A fuel cell.
前記アノード触媒層の少なくとも一部に前記空孔構造が存在する場合に、前記燃料ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給し、
前記カソード触媒層の少なくとも一部に前記空孔構造が存在する場合に、前記酸化剤ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給する、請求項10に記載の燃料電池の運転方法。
When the pore structure is present in at least a part of the anode catalyst layer, the fuel gas is supplied at a relative humidity of 70 to 100%,
11. The method of operating a fuel cell according to claim 10, wherein when the pore structure is present in at least a part of the cathode catalyst layer, the oxidant gas is supplied at a relative humidity of 70 to 100%.
前記カソード触媒層の少なくとも一部に前記空孔構造が存在し、前記燃料ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給する、請求項10に記載の燃料電池の運転方法。   The method for operating a fuel cell according to claim 10, wherein the pore structure exists in at least a part of the cathode catalyst layer, and the fuel gas is supplied under a condition of a relative humidity of 70 to 100%. 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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