JP2010027360A - Polymer electrolyte membrane, and membrane electrode assembly using the same - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, and membrane electrode assembly using the same Download PDF

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敦史 大間
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means of suppressing occurrence of cross leak of a supplied gas and various problems accompanying this in a fuel cell. <P>SOLUTION: A polymer electrolyte membrane has a sheet-like substrate composed of a polymer electrolyte and an intermediate layer arranged parallel to the surface direction of the sheet-like substrate in the substrate. Then, this intermediate layer contains a hydrogen oxidation catalyst, a proton reduction catalyst, a polymer electrolyte and an electron conductor, and has a structure in which a hydrogen gas passage is formed in the thickness direction of the sheet-like substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質膜およびこれを用いた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)に関する。特に、本発明は、燃料電池に用いられた場合に燃料電池の起電力の低下を抑制するための改良に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane and a membrane electrode assembly (MEA) using the polymer electrolyte membrane. In particular, the present invention relates to an improvement for suppressing a decrease in electromotive force of a fuel cell when used in a fuel cell.

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。PEFCは、一般的に、MEAをセパレータで挟持した構造を有する。そしてこのMEA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構造を有する。   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 PEFC generally has a structure in which an MEA is sandwiched between separators. The MEA has a structure in which the electrode catalyst layer is disposed so as to face both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion layer is sandwiched between the electrode catalyst layers.

上記のようなMEAを有するPEFCでは、固体高分子電解質膜を挟持する両電極触媒層(アノード(水素極)触媒層およびカソード(酸素極)触媒層)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が進行し、電気エネルギーが得られる。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層中の触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子を生成する(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)および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、および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て、水を生成する(O+4H+4e→2HO:反応2)。PEFC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 PEFC having the MEA as described above, the following reaction formulas are applied to both electrode catalyst layers (the anode (hydrogen electrode) catalyst layer and the cathode (oxygen electrode) catalyst layer) sandwiching the solid polymer electrolyte membrane according to the polarity. The electrode reaction shown in FIG. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component in the anode catalyst layer to generate protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e : reaction 1). Next, the generated proton is accompanied by a polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer (hereinafter also referred to as “ionomer”) and a solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, accompanied by several water molecules. And reaches the cathode catalyst layer. Further, 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 the external circuit. To 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 PEFC, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

PEFCを構成する固体高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも称する)に求められる性能は多岐にわたる。その一例としては、プロトン伝導性に優れること、燃料や酸素の透過(クロスリーク、クロスオーバー)を遮断できること、などが挙げられる。   The performance required for the solid polymer electrolyte membrane (hereinafter also simply referred to as “electrolyte membrane”) constituting the PEFC is diverse. For example, the proton conductivity is excellent and the permeation of fuel and oxygen (cross leak, cross over) can be blocked.

ここで、電解質膜として最も一般的に用いられているパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜は、上述したクロスリークを遮断する性能が十分ではないという問題がある。電解質膜での燃料や酸素のクロスリークが起こると、電極電位が平衡電位から外れ、出力電圧やエネルギー効率が低下するという問題が生じる。   Here, the perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane that is most commonly used as an electrolyte membrane has a problem in that the performance of blocking the above-described cross leak is not sufficient. When fuel or oxygen cross-leakage occurs in the electrolyte membrane, the electrode potential deviates from the equilibrium potential, resulting in a problem that output voltage and energy efficiency are lowered.

かような問題の解決を図るものとしては、特許文献1に記載の技術が挙げられる。特許文献1には、電解質膜等のイオン伝導体に、リークしてきた水素を酸化する酸化触媒層と、リークしてきた酸素を還元する還元触媒層とを互いに離間した状態で配置する技術が開示されている。かような構成とすることで、双方の極からリークしてきた水素や酸素を酸化触媒層・還元触媒層でそれぞれ反応させて水へと変換し、クロスリークによる性能低下を抑制しようとしている。   As a technique for solving such a problem, a technique described in Patent Document 1 can be cited. Patent Document 1 discloses a technique in which an oxidation catalyst layer that oxidizes leaked hydrogen and a reduction catalyst layer that reduces leaked oxygen are arranged on an ion conductor such as an electrolyte membrane in a state of being separated from each other. ing. By adopting such a configuration, hydrogen and oxygen leaking from both poles are reacted in the oxidation catalyst layer and the reduction catalyst layer, respectively, and converted to water, thereby attempting to suppress performance degradation due to cross leakage.

上述した特許文献1に記載の技術によれば、水素や酸素のクロスリーク自体や、これに起因する問題の発生をある程度抑制することは可能であると考えられる。しかしながら、依然として、得られる起電力は十分ではないという問題があった。
特開2005−149939号公報
According to the technique described in Patent Document 1 described above, it is considered possible to suppress to some extent the cross leak of hydrogen and oxygen itself and the problems caused by this. However, there is still a problem that the electromotive force obtained is not sufficient.
JP 2005-149939 A

本発明は、燃料電池において、供給されるガスのクロスリークやこれに伴う種々の問題の発生を抑制しうる手段を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide means capable of suppressing the occurrence of cross-leakage of supplied gas and various problems associated therewith in a fuel cell.

本発明者らは、特許文献1に記載の技術において、クロスリークの防止対策を講じているにもかかわらず得られる起電力が十分ではない原因を探索した。その結果、電解質膜の内部に酸化触媒層・還元触媒層を設けたことで、電解質膜におけるプロトン移動抵抗が上昇していることを見出した。そして、かようなプロトン移動抵抗の上昇に起因して、PEFCの内部抵抗が増加してしまい、起電力の低下が引き起こされているのではないかとの仮説の下で、さらに研究を行なった。その結果、電解質膜を以下のような構成とすることで、電解質膜におけるプロトン移動抵抗を低減させうることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The inventors searched for a cause in which the electromotive force obtained in the technique described in Patent Document 1 is not sufficient despite taking countermeasures for preventing cross leaks. As a result, it was found that the proton transfer resistance in the electrolyte membrane was increased by providing the oxidation catalyst layer / reduction catalyst layer inside the electrolyte membrane. Further research was carried out under the hypothesis that the internal resistance of PEFC increased due to such an increase in proton transfer resistance, causing a decrease in electromotive force. As a result, it has been found that the proton transfer resistance in the electrolyte membrane can be reduced by configuring the electrolyte membrane as follows, and the present invention has been completed.

すなわち、上記課題を解決するための本発明の高分子電解質膜は、高分子電解質からなるシート状基材と、当該シート状基材中に当該シート状基材の面方向と平行に配置された中間層とを有する。そして、この中間層は、水素酸化触媒、プロトン還元触媒、高分子電解質および電子伝導体を含み、シート状基材の厚み方向に向かって水素ガス流路が形成されてなる構成を有する。   That is, the polymer electrolyte membrane of the present invention for solving the above-mentioned problems is arranged in a sheet-like substrate made of a polymer electrolyte and in the sheet-like substrate in parallel with the surface direction of the sheet-like substrate. And an intermediate layer. The intermediate layer includes a hydrogen oxidation catalyst, a proton reduction catalyst, a polymer electrolyte, and an electronic conductor, and has a configuration in which a hydrogen gas flow path is formed in the thickness direction of the sheet-like substrate.

本発明によれば、燃料電池において、供給されるガスのクロスリークやこれに伴う種々の問題の発生が抑制されうる。   According to the present invention, in a fuel cell, it is possible to suppress the occurrence of cross leaks of supplied gas and various problems associated therewith.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。ただし、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、以下の形態のみには制限されない。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, embodiments of 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 forms. 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.

[MEA(膜電極接合体)]
図1は、本発明の一実施形態に係るMEA100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。本実施形態のMEA100は、例えば、後述する固体高分子形燃料電池(PEFC)の構成要素として用いられうる。
[MEA (membrane electrode assembly)]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of an MEA 100 according to an embodiment of the present invention. The MEA 100 of this embodiment can be used as a constituent element of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) described later, for example.

図1に示すように、本実施形態のMEA100は、まず、その中央部に高分子電解質膜110を備える。高分子電解質膜110は、高分子電解質からなるシート状基材111と、このシート状基材111中に当該シート状基材111の面方向と平行に配置された中間層112とを有する。中間層112の詳細については、後述する。また、製造方法によっては、中間層112と、高分子電解質膜110を構成する他の部位とが別々に作製・準備され、これらが貼り合わされることにより高分子電解質膜110が作製されることがある。かような場合であっても、中間層112とシート状基材111とが高分子電解質を介して接合されている限り、「中間層がシート状基材中に配置されている」ものとする。   As shown in FIG. 1, the MEA 100 of the present embodiment first includes a polymer electrolyte membrane 110 at the center thereof. The polymer electrolyte membrane 110 includes a sheet-like base material 111 made of a polymer electrolyte, and an intermediate layer 112 disposed in the sheet-like base material 111 in parallel with the surface direction of the sheet-like base material 111. Details of the intermediate layer 112 will be described later. Further, depending on the manufacturing method, the intermediate layer 112 and other parts constituting the polymer electrolyte membrane 110 may be separately prepared and prepared, and the polymer electrolyte membrane 110 may be manufactured by bonding them together. is there. Even in such a case, as long as the intermediate layer 112 and the sheet-like base material 111 are bonded via the polymer electrolyte, the “intermediate layer is disposed in the sheet-like base material”. .

高分子電解質膜110の一方の面には、アノード触媒層120aが配置されている。一方、高分子電解質膜110の他方の面には、カソード触媒層120cが配置されている。さらに、これらの積層体は、一対のガス拡散層(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)により挟持されている。以下、本実施形態のMEAを構成する各部材について順に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   An anode catalyst layer 120 a is disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane 110. On the other hand, the cathode catalyst layer 120 c is disposed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 110. Further, these laminates are sandwiched between a pair of gas diffusion layers (anode-side gas diffusion layer 140a and cathode-side gas diffusion layer 140c). Hereinafter, although each member which comprises MEA of this embodiment is demonstrated in order, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

(高分子電解質膜)
高分子電解質膜110は、アノード触媒層120aとカソード触媒層120cとを物理的に隔てる隔壁として機能し、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止する。また、高分子電解質膜110は、PEFCの作動時にアノード触媒層120aで生成したプロトンを電解質膜の厚み方向に沿ってカソード触媒層120cへと選択的に透過させる機能をも有する。
(Polymer electrolyte membrane)
The polymer electrolyte membrane 110 functions as a partition that physically separates the anode catalyst layer 120a and the cathode catalyst layer 120c, and prevents mixing of the fuel gas and the oxidant gas. The polymer electrolyte membrane 110 also has a function of selectively allowing protons generated in the anode catalyst layer 120a during the PEFC operation to permeate the cathode catalyst layer 120c along the thickness direction of the electrolyte membrane.

上述したように、高分子電解質膜110は、高分子電解質からなるシート状基材111を有する。このシート状基材111としては、従来のPEFCにおいて用いられていた高分子電解質膜がそのまま用いられうる。シート状基材111を構成する高分子電解質の具体的な構成について特に制限はなく、PEFCを構成する電解質膜の構成材料として従来公知の材料が適宜用いられうる。ここで、シート状基材111を構成する高分子電解質は、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と炭化水素系固体高分子電解質とに大別される。   As described above, the polymer electrolyte membrane 110 has the sheet-like substrate 111 made of a polymer electrolyte. As the sheet-like substrate 111, a polymer electrolyte membrane used in a conventional PEFC can be used as it is. There is no restriction | limiting in particular about the specific structure of the polymer electrolyte which comprises the sheet-like base material 111, A conventionally well-known material can be used suitably as a constituent material of the electrolyte membrane which comprises PEFC. Here, the polymer electrolyte constituting the sheet-like substrate 111 is roughly classified into a fluorine-based solid polymer electrolyte and a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte according to the type of polymer electrolyte that is a constituent material.

フッ素系固体高分子電解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)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が用いられる。   Examples of the fluorine-based solid polymer electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer Etc. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based solid polymer electrolytes are preferably used, and more preferably perfluorocarbon sulfonic acid polymers are used.

炭化水素系固体高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系固体高分子電解質が好ましく用いられる。   Examples of the hydrocarbon solid polymer electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated. Examples include polyetheretherketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based solid polymer electrolytes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high.

上述した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伝導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されうる。なお、上述した各種の高分子電解質は、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。   Materials other than the polymer electrolyte 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. In addition, as for the various polymer electrolytes mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together.

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 is preferably 0.8 to 1.5 mmol / g, and more preferably 1.0 to 1.5 mmol / g, from the viewpoint of excellent ion conductivity. 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.

シート状基材111の厚さ(アノード触媒層120aの端部からカソード触媒層120cの端部までの距離)は、MEAや高分子電解質の特性を考慮して適宜決定され、特に限定されない。ただし、シート状基材111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。シート状基材111の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されうる。   The thickness of the sheet-like substrate 111 (distance from the end of the anode catalyst layer 120a to the end of the cathode catalyst layer 120c) is appropriately determined in consideration of the characteristics of the MEA and the polymer electrolyte, and is not particularly limited. However, the thickness of the sheet-like substrate 111 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 of the sheet-like substrate 111 is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

本実施形態のMEA100において、高分子電解質膜110は、上述したシート状基材111中に、当該シート状基材111の面方向と平行に配置された中間層112をさらに有する点に特徴を有する。以下、本発明の特徴的な構成である「中間層112」について、詳細に説明する。   In the MEA 100 of the present embodiment, the polymer electrolyte membrane 110 is characterized in that the sheet-like base material 111 further includes an intermediate layer 112 arranged in parallel to the surface direction of the sheet-like base material 111. . Hereinafter, the “intermediate layer 112” which is a characteristic configuration of the present invention will be described in detail.

図1に示す形態では、中間層112は3つの層から構成されている。具体的には、当該中間層112の厚み方向の一端(図1におけるアノード側の端)には、プロトン還元層113aが配置されている。このプロトン還元層113aは、導電性担体に触媒成分が担持されてなるプロトン還元触媒(例えば、白金が担持されてなるカーボン担体)を含む。当該触媒を構成する導電性担体は、中間層112に導電性を付与するための電子伝導体としても機能する。また、プロトン還元層113aは、シート状基材111を構成するのと同じ高分子電解質を含む。ただし、中間層112に含まれる高分子電解質は、シート状基材111の構成材料とは異なっていてもよい。   In the form shown in FIG. 1, the intermediate layer 112 is composed of three layers. Specifically, the proton reduction layer 113a is disposed at one end of the intermediate layer 112 in the thickness direction (the end on the anode side in FIG. 1). The proton reduction layer 113a includes a proton reduction catalyst (for example, a carbon support on which platinum is supported) formed by supporting a catalyst component on a conductive support. The conductive carrier constituting the catalyst also functions as an electron conductor for imparting conductivity to the intermediate layer 112. The proton reduction layer 113a includes the same polymer electrolyte that constitutes the sheet-like substrate 111. However, the polymer electrolyte contained in the intermediate layer 112 may be different from the constituent material of the sheet-like substrate 111.

一方、中間層112の厚み方向の他端(図1におけるカソード側の端)には、水素酸化層113cが配置されている。この水素酸化層113cは、導電性担体に触媒成分が担持されてなる水素酸化触媒(例えば、白金が担持されてなるカーボン担体)を含む。当該触媒を構成する導電性担体は、中間層112に導電性を付与するための電子伝導体としても機能する。また、水素酸化層113cは、シート状基材111を構成するのと同じ高分子電解質を含む。なお、プロトン還元触媒や水素酸化触媒の具体的な形態については、後述する。   On the other hand, a hydrogen oxide layer 113c is disposed on the other end in the thickness direction of the intermediate layer 112 (end on the cathode side in FIG. 1). The hydrogen oxidation layer 113c includes a hydrogen oxidation catalyst (for example, a carbon support on which platinum is supported) formed by supporting a catalyst component on a conductive support. The conductive carrier constituting the catalyst also functions as an electron conductor for imparting conductivity to the intermediate layer 112. Further, the hydrogen oxide layer 113 c includes the same polymer electrolyte that constitutes the sheet-like substrate 111. Specific forms of the proton reduction catalyst and the hydrogen oxidation catalyst will be described later.

さらに、図1に示す形態では、プロトン還元層113cと水素酸化層113aとの間に、プロトン還元触媒および水素酸化触媒を含まない触媒非含有層113nが介在している。この触媒非含有層113nは、上述したのと同様の高分子電解質と、中間層112に導電性を付与するための電子伝導体とを含む。なお、電子伝導体の詳細についても、後述する。   Furthermore, in the form shown in FIG. 1, a catalyst-free layer 113n that does not include a proton reduction catalyst and a hydrogen oxidation catalyst is interposed between the proton reduction layer 113c and the hydrogen oxidation layer 113a. This catalyst-free layer 113n includes a polymer electrolyte similar to that described above and an electron conductor for imparting conductivity to the intermediate layer 112. Details of the electron conductor will also be described later.

また、図1には図示していないが、本実施形態のMEAにおいて、中間層112には、シート状基材の厚み方向に向かって水素ガス流路が形成されている。これにより、アノード側に供給された燃料ガスである水素ガスは、少なくとも中間層112の全体に拡散することが可能である。   Although not shown in FIG. 1, in the MEA of the present embodiment, a hydrogen gas flow path is formed in the intermediate layer 112 in the thickness direction of the sheet-like substrate. Thereby, the hydrogen gas that is the fuel gas supplied to the anode side can diffuse at least in the entire intermediate layer 112.

ここで、図1に示す形態の本実施形態のMEA100の作用について、中間層を有しない従来のMEAの作用と比較しつつ説明する。   Here, the operation of the MEA 100 of the present embodiment in the form shown in FIG. 1 will be described in comparison with the operation of a conventional MEA having no intermediate layer.

まず、高分子電解質膜がパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等の電解質のみからなる膜の形態を有する従来のMEAの場合を説明する。背景技術の欄において述べたように、PEFCの運転時において、アノード触媒層での反応により生成したプロトンは、数個の水分子を伴いながら、高分子電解質膜中を移動して、カソード触媒層に達する(図1に示す右向きの仮想線(二点鎖線))。この際、高分子電解質膜を移動するプロトンに対しては移動抵抗が存在する。そして、このプロトン移動抵抗に起因し、電圧降下(IRロス)が発生する。このため、従来のMEAの高分子電解質膜110における電位は、図1の仮想線に示すように、アノード側からカソード側に向かうに従って低下する。その結果、膜内における電位の低下に応じて、PEFCの起電力は低下する。   First, the case of a conventional MEA in which the polymer electrolyte membrane has a form of a membrane composed only of an electrolyte such as a perfluorocarbon sulfonic acid polymer will be described. As described in the background art section, during the operation of PEFC, protons generated by the reaction in the anode catalyst layer move through the polymer electrolyte membrane with several water molecules, and the cathode catalyst layer. (Right virtual line (two-dot chain line) shown in FIG. 1). At this time, there is a movement resistance for protons moving through the polymer electrolyte membrane. A voltage drop (IR loss) occurs due to the proton transfer resistance. For this reason, the potential in the polymer electrolyte membrane 110 of the conventional MEA decreases as it goes from the anode side to the cathode side, as shown by the phantom line in FIG. As a result, the electromotive force of PEFC decreases as the potential in the membrane decreases.

本実施形態のMEA100によれば、かような起電力の低下が抑制されうる。以下、そのメカニズムについて説明するが、本発明の技術的範囲は下記のメカニズムに拘束されない。   According to the MEA 100 of the present embodiment, such a decrease in electromotive force can be suppressed. The mechanism will be described below, but the technical scope of the present invention is not limited by the following mechanism.

上述したように、本発明のような中間層112を有しない高分子電解質膜を備えたMEAでは、プロトン移動抵抗に起因して、図1の仮想線のように膜内の電位は勾配を示す。これに対し、本実施形態のMEA100では、中間層112の全体にわたって電子伝導体が存在していることから、中間層112の任意の部位における電位は全て等しくなるはずである。具体的には、本実施形態のMEA100を備えたPEFCを運転する(外部負荷に電気的に接続する)と、中間層112における電位は、図1に示す太線のように、仮想線で示される従来のMEAにおける膜内電位を平均したものとなるはずである。   As described above, in the MEA including the polymer electrolyte membrane that does not have the intermediate layer 112 as in the present invention, the potential in the membrane shows a gradient as indicated by the phantom line in FIG. 1 due to proton transfer resistance. . On the other hand, in the MEA 100 of the present embodiment, since the electron conductor exists throughout the intermediate layer 112, the potentials at arbitrary portions of the intermediate layer 112 should all be equal. Specifically, when the PEFC including the MEA 100 of the present embodiment is operated (electrically connected to an external load), the potential in the intermediate layer 112 is indicated by a virtual line as shown by a thick line in FIG. It should be the average of the intramembrane potential in a conventional MEA.

そうすると、中間層112のアノード側端部(すなわち、プロトン還元層113a)では、高分子電解質からなるシート状基材111との間に負の電位差が生じることになる(図1に示す「HER」)。こうして負の電位差が生じると、プロトン還元層113aでは、発生した電位差(詳細には、図1に示す仮想線と太線との差に対応する電位差)を駆動力として、当該電位差を相殺する方向に反応が進行する。具体的には、負の電位差を相殺するために、電子を消費する反応(還元反応)であるプロトン還元反応(水素生成反応(HER);2H+2e→H)が進行する。 As a result, a negative potential difference occurs between the anode side end portion of the intermediate layer 112 (that is, the proton reduction layer 113a) and the sheet-like base material 111 made of the polymer electrolyte (“HER” shown in FIG. 1). ). When a negative potential difference is generated in this way, in the proton reduction layer 113a, the generated potential difference (specifically, a potential difference corresponding to the difference between the virtual line and the thick line shown in FIG. 1) is used as a driving force in a direction to cancel the potential difference. The reaction proceeds. Specifically, in order to cancel the negative potential difference, a proton reduction reaction (hydrogen generation reaction (HER); 2H + + 2e → H 2 ) that is a reaction (reduction reaction) that consumes electrons proceeds.

一方、中間層112のカソード側端部(すなわち、水素酸化層113c)では、シート状基材111との間に正の電位差が生じる(図1に示す「HOR」)。こうして正の電位差が生じると、水素酸化層113cでは、発生した電位差(詳細には、図1に示す仮想線と太線との差に対応する電位差)を駆動力として、当該電位差を相殺する方向に反応が進行する。具体的には、正の電位差を相殺するために、電子を生成する反応(酸化反応)である水素酸化反応(HOR;H→2H+2e)が進行する。なお、プロトン還元反応と水素酸化反応とは、互いに逆反応の関係にある。 On the other hand, at the cathode side end portion of the intermediate layer 112 (that is, the hydrogen oxide layer 113c), a positive potential difference is generated between the intermediate substrate 112 and the sheet-like substrate 111 (“HOR” shown in FIG. 1). When a positive potential difference is generated in this way, in the hydrogen oxide layer 113c, the generated potential difference (specifically, a potential difference corresponding to the difference between the virtual line and the thick line shown in FIG. 1) is used as a driving force in a direction to cancel the potential difference. The reaction proceeds. Specifically, in order to cancel out the positive potential difference, a hydrogen oxidation reaction (HOR; H 2 → 2H + + 2e ) that is a reaction that generates electrons (oxidation reaction) proceeds. Note that the proton reduction reaction and the hydrogen oxidation reaction are in a reverse reaction relationship with each other.

以上のように、プロトン還元層113aにおいてプロトン還元反応が進行してプロトンが消費され、水素酸化層113cにおいて水素酸化反応が進行してプロトンが生成すると、プロトンの濃度勾配が生じる。具体的には、中間層112において、水素酸化層113cからプロトン還元層113aに向かうプロトン濃度勾配が生じる(図1の中間層112における右上がりの破線)。そして、かようなプロトン濃度勾配が生じると、当該濃度勾配を駆動力として、中間層112をプロトンが移動する(図1に示す左向きの破線)。   As described above, when the proton reduction reaction proceeds in the proton reduction layer 113a and protons are consumed, and when the hydrogen oxidation reaction proceeds in the hydrogen oxidation layer 113c and protons are generated, a proton concentration gradient occurs. Specifically, in the intermediate layer 112, a proton concentration gradient from the hydrogen oxidation layer 113c toward the proton reduction layer 113a is generated (a broken line rising to the right in the intermediate layer 112 in FIG. 1). When such a proton concentration gradient occurs, protons move through the intermediate layer 112 using the concentration gradient as a driving force (a broken line pointing leftward in FIG. 1).

そうすると、本来の電池反応により生じるプロトンの移動(図1に示す右向きの仮想線)と、本実施形態の構成としたことにより生じるプロトンの移動(図1に示す左向きの破線)とが打ち消しあう。その結果、中間層112においては見かけ上、プロトンの移動は見られなくなる。従って、中間層112においてはプロトンの移動抵抗に起因する電圧降下(IRロス)も生じない。すなわち、本実施形態によれば、高分子電解質膜110の内部における電位が、図1に示す仮想線で表される従来の電圧降下を受けることなく、図1に示す実線で表されるように比較的高い状態に維持される。その結果、高分子電解質膜110における電圧降下(IRロス)に起因したPEFCの起電力の低下が抑制されうるのである。   Then, the proton movement caused by the original battery reaction (right virtual line shown in FIG. 1) and the proton movement (left broken line shown in FIG. 1) caused by the configuration of the present embodiment cancel each other. As a result, in the intermediate layer 112, no apparent proton transfer is observed. Therefore, no voltage drop (IR loss) due to proton movement resistance occurs in the intermediate layer 112. That is, according to the present embodiment, the potential inside the polymer electrolyte membrane 110 is represented by the solid line shown in FIG. 1 without receiving the conventional voltage drop represented by the phantom line shown in FIG. It is kept relatively high. As a result, the decrease in the electromotive force of PEFC due to the voltage drop (IR loss) in the polymer electrolyte membrane 110 can be suppressed.

また、プロトンの移動に伴う、アノードからカソードへの水の移動は、中間層とカソードとの間でも起こりうる。このため、中間層を有しない従来のMEAと比較して、アノードの水が消費されにくい。その結果、アノードの乾燥による発電性能の低下や劣化などの問題の発生が防止されうるという利点もある。さらに、中間層を有する本願のMEAでは、アノードと中間層との間や、中間層自体に燃料である水素ガスを多く含む。このため、中間層を有しない従来のMEAと比較して、アノードにおける燃料欠乏が生じにくい。その結果、燃料欠乏に起因する劣化などの問題の発生も防止されうる。   In addition, the movement of water from the anode to the cathode accompanying the movement of protons can also occur between the intermediate layer and the cathode. For this reason, compared with the conventional MEA which does not have an intermediate | middle layer, the water of an anode is hard to be consumed. As a result, there is also an advantage that problems such as a decrease in power generation performance and deterioration due to drying of the anode can be prevented. Further, the MEA of the present application having an intermediate layer contains a large amount of hydrogen gas as a fuel between the anode and the intermediate layer or in the intermediate layer itself. For this reason, compared with the conventional MEA which does not have an intermediate | middle layer, the fuel deficiency in an anode does not arise easily. As a result, the occurrence of problems such as deterioration due to fuel shortage can be prevented.

以下、本実施形態のMEA100における中間層112の具体的な構成について詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。   Hereinafter, although the specific structure of the intermediate | middle layer 112 in MEA100 of this embodiment is demonstrated in detail, the technical scope of this invention is not limited only to the following form.

プロトン還元層113aに含まれるプロトン還元触媒は、下記反応式1で表されるプロトン還元反応(水素生成反応(Hydrogen Evolution Reaction;HER))を促進しうる触媒である。   The proton reduction catalyst contained in the proton reduction layer 113a is a catalyst that can promote a proton reduction reaction (hydrogen generation reaction (HER)) represented by the following reaction formula 1.

Figure 2010027360
Figure 2010027360

一方、水素酸化層113cに含まれる水素酸化触媒は、プロトン還元反応の逆反応である、下記反応式2で表される水素酸化反応(Hydrogen Oxidation Reaction;HOR)を促進しうる触媒である。   On the other hand, the hydrogen oxidation catalyst included in the hydrogen oxidation layer 113c is a catalyst that can promote a hydrogen oxidation reaction (HOR) represented by the following reaction formula 2, which is the reverse reaction of the proton reduction reaction.

Figure 2010027360
Figure 2010027360

プロトン還元触媒および水素酸化触媒の具体的な形態については、上述した各反応を促進しうる限り、特に制限はない。一例として、プロトン還元触媒および水素酸化触媒は、触媒成分が導電性担体に担持されてなる構成を有しうる。これは、PEFCを構成する触媒層において用いられる電極触媒と同様の構成である。   The specific forms of the proton reduction catalyst and the hydrogen oxidation catalyst are not particularly limited as long as each reaction described above can be promoted. As an example, the proton reduction catalyst and the hydrogen oxidation catalyst may have a configuration in which a catalyst component is supported on a conductive carrier. This is the same configuration as the electrode catalyst used in the catalyst layer constituting PEFC.

プロトン還元触媒および水素酸化触媒を構成しうる導電性担体は特に制限されず、PEFCの電極触媒に従来用いられている導電性担体が同様に採用されうる。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。   The conductive carrier that can constitute the proton reduction catalyst and the hydrogen oxidation catalyst is not particularly limited, and a conductive carrier conventionally used for an electrode catalyst of PEFC can be similarly employed. 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。導電性担体のBET比表面積は、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. BET specific surface area of the conductive support is preferably 100~1500m 2 / g, more preferably 600~1000m 2 / g. When the specific surface area of the conductive support is within this 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.

プロトン還元触媒および水素酸化触媒を構成しうる触媒成分もまた、上述した各反応を促進しうる限り制限なく用いられうる。触媒成分として、具体的には、白金、パラジウム、イリジウム、炭素、銀、金、ロジウム、ルテニウム、スズ、ケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、セリウムおよびこれらの合金が挙げられる。これらの成分を触媒成分として用いることで、プロトン還元反応(HER)および水素酸化反応(HOR)が効率的に進行しうる。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。プロトン還元触媒および水素酸化触媒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されうる。ただし、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。   The catalyst component that can constitute the proton reduction catalyst and the hydrogen oxidation catalyst can also be used without limitation as long as the above-described reactions can be promoted. Specific examples of the catalyst component include platinum, palladium, iridium, carbon, silver, gold, rhodium, ruthenium, tin, silicon, titanium, zirconium, aluminum, hafnium, tantalum, niobium, cerium, and alloys thereof. By using these components as catalyst components, proton reduction reaction (HER) and hydrogen oxidation reaction (HOR) can proceed efficiently. 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 a catalyst component of the proton reduction catalyst and the hydrogen oxidation catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and the like, and can be appropriately selected by those skilled in the art. However, platinum is preferably about 30 to 90 atomic%, and the other metal to be alloyed is about 10 to 70 atomic%. Note that an “alloy” is a general term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. Here, the alloy composition can be specified by using an ICP emission analysis method.

触媒成分の形状や大きさは特に制限されず、従来公知の触媒成分と同様の形状および大きさが適宜採用されうる。ただし、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されうる。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 diameter 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.

プロトン還元触媒または水素酸化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、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、触媒が有効に機能し、本発明の作用効果が十分に発揮されうる。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。   The ratio of the content of the conductive support and the catalyst component in the proton reduction catalyst or hydrogen oxidation 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 catalyst. It is. A catalyst functions effectively as the content rate of a catalyst component is 5 mass% or more, and the effect of this invention can fully be exhibited. 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 is adopted.

中間層112を構成する高分子電解質についても特に制限はなく、従来公知の高分子電解質が採用されうる。具体的には、上述したシート状基材111を構成する高分子電解質が同様に中間層112の構成材料としても用いられうる。従って、ここでは詳細な説明を省略する。なお、中間層112を構成する高分子電解質は、シート状基材111を構成する高分子電解質と同一であってもよいし、異なっていてもよいが、好ましくは同一である。かような形態によれば、高分子電解質膜110が簡便に製造されうる。また、シート状基材111と中間層112とを別々に作製した後にこれらを積層することにより高分子電解質膜110を製造する場合には、シート状基材111と中間層112との接着性が向上しうるという利点もある。   There is no restriction | limiting in particular also about the polymer electrolyte which comprises the intermediate | middle layer 112, A conventionally well-known polymer electrolyte can be employ | adopted. Specifically, the polymer electrolyte constituting the sheet-like substrate 111 described above can be used as the constituent material of the intermediate layer 112 as well. Therefore, detailed description is omitted here. The polymer electrolyte constituting the intermediate layer 112 may be the same as or different from the polymer electrolyte constituting the sheet-like substrate 111, but is preferably the same. According to such a form, the polymer electrolyte membrane 110 can be easily manufactured. Further, when the polymer electrolyte membrane 110 is manufactured by laminating the sheet-like base material 111 and the intermediate layer 112 separately, the adhesion between the sheet-like base material 111 and the intermediate layer 112 is low. There is also an advantage that it can be improved.

中間層112が電子伝導体を含むことについては、上述した通りである。これにより、中間層112に導電性が付与され、上述したHERやHORを進行させるための駆動力となる電位差を発生させることが可能となる。中間層112に含まれる電子伝導体についても、中間層112に導電性を付与しうる限り、特に制限はない。例えば、図1に示すプロトン還元層113aや水素酸化層113cにおいては、プロトン還元触媒や水素酸化触媒を構成する導電性担体をそのまま、中間層112に含まれる電子伝導体として用いるとよい。かような形態によれば、電子伝導体を別途添加する必要がなく、軽量化やコスト低減の観点から好ましい。ただし、場合によっては、電子伝導体を別途、プロトン還元層113aや水素酸化層113cに添加してもよい。   The intermediate layer 112 includes an electron conductor as described above. As a result, conductivity is imparted to the intermediate layer 112, and a potential difference serving as a driving force for advancing the HER and HOR described above can be generated. The electron conductor contained in the intermediate layer 112 is not particularly limited as long as it can impart conductivity to the intermediate layer 112. For example, in the proton reduction layer 113a and the hydrogen oxidation layer 113c shown in FIG. 1, it is preferable to use the conductive carrier constituting the proton reduction catalyst or the hydrogen oxidation catalyst as it is as the electron conductor contained in the intermediate layer 112. According to such a form, it is not necessary to add an electron conductor separately, which is preferable from the viewpoint of weight reduction and cost reduction. However, in some cases, an electron conductor may be added separately to the proton reduction layer 113a or the hydrogen oxide layer 113c.

プロトン還元層113aや水素酸化層113cに含まれる触媒を構成する導電性担体のほかに用いられうる電子伝導体について特に制限はない。電子伝導体の一例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック、グラファイトなどのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維(VGCF;登録商標)等の種々の炭素繊維などが挙げられる。電子伝導体は保水性材料であることが好ましい。かような形態によれば、中間層112に含まれる電子伝導体としての保水性材料が保水バッファとして機能することができる。すなわち、PEFCの取り出し負荷が低下した場合やPEFCの運転を停止した場合などに、保水性材料はセル内の生成水(水蒸気)を保持することができる。その結果、取り出し負荷が再び増加した場合やPEFCの運転を再開した場合などにスムーズに応答することが可能となり、出力の低下を防ぐことが可能となるのである。保水性材料としての電子伝導体の具体的な形態について特に制限はなく、保水性を有する電子伝導性の材料が適宜用いられうる。一例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の炭素材料、酸化スズ等の金属酸化物や、表面に親水性官能基(ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基が導入されたカーボン粉末などが挙げられる。   There is no particular limitation on the electron conductor that can be used in addition to the conductive carrier constituting the catalyst included in the proton reduction layer 113a and the hydrogen oxide layer 113c. Examples of electron conductors include carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, and furnace black, carbon powders such as graphite, and various carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF). . The electron conductor is preferably a water retaining material. According to such a form, the water retention material as an electron conductor contained in the intermediate layer 112 can function as a water retention buffer. That is, when the PEFC take-out load is reduced or when the operation of the PEFC is stopped, the water retention material can hold the generated water (water vapor) in the cell. As a result, it is possible to respond smoothly when the take-out load increases again or when the PEFC operation is resumed, and it is possible to prevent a decrease in output. There is no restriction | limiting in particular about the specific form of the electronic conductor as a water retention material, The electron conductivity material which has water retention property can be used suitably. Examples include carbon materials such as ketjen black and acetylene black, metal oxides such as tin oxide, and carbon powder having hydrophilic functional groups (hydroxyl groups, carboxyl groups, and amino groups introduced on the surface).

なお、図1の左向きの破線で示すプロトンの移動量は、水素酸化層113cにおけるHOR反応によって生成するプロトン量に依存する。そしてHOR反応によって生成するプロトン量は、アノード側からのクロスリークによって水素酸化層113cへと到達する水素ガスの量に依存する。従って、本実施形態のMEA100が上述したメカニズムを発揮するには、アノード側に供給された燃料である水素ガスが、クロスリークによって水素酸化層113cまで到達することが必要である。このため、本実施形態のMEAにおいて、中間層112には、シート状基材の厚み方向に向かって水素ガス流路が形成されている(不図示)。水素ガスは高分子電解質を移動する速度よりも気相を移動する速度の方が圧倒的に速い。このため、水素ガス流路を設けることで、アノード側に供給された燃料ガスである水素ガスは、少なくとも中間層112の全体に拡散して、上述したメカニズムの進行に寄与することが可能である。   Note that the amount of proton movement indicated by the left-pointing broken line in FIG. 1 depends on the amount of protons generated by the HOR reaction in the hydrogen oxide layer 113c. The amount of protons generated by the HOR reaction depends on the amount of hydrogen gas that reaches the hydrogen oxide layer 113c due to cross leak from the anode side. Therefore, in order for the MEA 100 of the present embodiment to exhibit the mechanism described above, it is necessary that the hydrogen gas that is the fuel supplied to the anode side reaches the hydrogen oxide layer 113c by cross leak. For this reason, in the MEA of this embodiment, a hydrogen gas flow path is formed in the intermediate layer 112 in the thickness direction of the sheet-like substrate (not shown). Hydrogen gas has an overwhelmingly faster moving speed in the gas phase than moving the polymer electrolyte. For this reason, by providing the hydrogen gas flow path, the hydrogen gas, which is the fuel gas supplied to the anode side, can diffuse to at least the entire intermediate layer 112 and contribute to the progress of the mechanism described above. .

水素ガス流路の具体的な形態について特に制限はなく、アノード側に供給された水素ガスがクロスリークによって水素酸化層113cまで到達しうる形態であればよい。中間層112に水素ガス流路を設ける一形態としては、中間層112に適度の空孔を設ける形態が例示される。   There is no particular limitation on the specific form of the hydrogen gas flow path, and any form may be used as long as the hydrogen gas supplied to the anode side can reach the hydrogen oxide layer 113c by cross leak. As one form of providing the hydrogen gas flow path in the intermediate layer 112, a form of providing appropriate holes in the intermediate layer 112 is exemplified.

中間層112に形成される水素ガス流路に関連して、好ましい形態では、中間層112は、所定の空孔構造を有する。具体的には、中間層112は、水銀圧入法による空孔分布において、(1)最頻空孔径が、0.04〜0.06μm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)以下であるような空孔構造を有することが好ましい。かような形態によれば、中間層112において水素ガス流路が十分に確保され、上述したメカニズムによる本発明の作用効果が効果的に発揮されうる。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。 In relation to the hydrogen gas flow path formed in the intermediate layer 112, in a preferred form, the intermediate layer 112 has a predetermined pore structure. Specifically, the intermediate layer 112 has (1) the most frequent pore diameter in the range of 0.04 to 0.06 μm in the pore distribution by the mercury intrusion method, and (2) the most frequent pore diameter. It is preferable to have a pore structure in which the ratio of the full width at half maximum to the peak height is 0.045 μm (cm 3 g −1 ) or less. According to such a form, the hydrogen gas flow path is sufficiently ensured in the intermediate layer 112, and the effects of the present invention by the above-described mechanism can be effectively exhibited. In the following description, it is assumed that all the holes are cylindrical, the hole diameter is D, and the hole volume is V.

水銀圧入法とは、水銀ポロシメトリーとも称され、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)から計算されうる。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、本願では、水銀の表面張力σを485 dyn cm−1、水銀と空孔壁面との接触角を130°として、空孔直径を算出するものとする。 The mercury intrusion method is also called mercury porosimetry. Mercury, which does not react with most substances and does not wet, is pressed into solid vacancies under pressure, and pressed with the pressure applied at that time ( This is a method for measuring the size and volume of vacancies on the sample surface from the relationship between the volume of mercury that has entered. 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. 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 present application, 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 °.

具体的な測定方法を説明すると、まず、高分子電解質膜100の中間層112に相当する部分を取り出し、測定セルに投入する。次いで、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(W[cm])を静電容量検出器で検知する。この水銀侵入容積(W[cm])を、投入した中間層112の質量(g)で除した値が、中間層の空孔容積V(cm/g)である。 A specific measuring method will be described. First, a portion corresponding to the intermediate layer 112 of the polymer electrolyte membrane 100 is taken out and put into a measuring cell. Next, the measurement cell is evacuated and then filled with mercury, the inside of the cell is continuously pressurized, and the mercury intrusion volume (W [cm 3 ]) in the process is detected by a capacitance detector. A value obtained by dividing the mercury intrusion volume (W [cm 3 ]) by the mass (g) of the charged intermediate layer 112 is the void volume V (cm 3 / g) of the intermediate layer.

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高分子電解質膜の空孔容積を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 pore volume distribution, first, the differential pore volume dV when the pore volume of the polymer electrolyte membrane obtained by the mercury intrusion method is set to V and the pore diameter is set to D is calculated. A value (dV / d (logD)) divided by a logarithmic difference value d (logD) of the hole 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、中間層112が有する、好ましい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するグラフであり、破線は右側の縦軸の積算空孔容積に対するグラフである。   FIG. 2 is a graph showing the pore distribution of the preferred pore structure that the intermediate layer 112 has. 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 with respect to the log differential integral void volume on the left vertical axis, and the broken line is a graph with respect to the accumulated void volume on the right vertical axis.

上述したように、好ましい形態において、中間層112の空孔構造では、最頻空孔径が、0.04〜0.06μmの範囲に存在する。これは、ログ微分空孔容積の最大値が、空孔直径0.04〜0.06μmの範囲に存在することを意味する。水素ガスの透過性に優れるという観点からは、最頻空孔径は、0.02〜0.07μmの範囲に存在することが好ましく、0.05〜0.07μmの範囲に存在することがより好ましい。   As described above, in the preferred embodiment, in the hole structure of the intermediate layer 112, the most frequent hole diameter is in the range of 0.04 to 0.06 μm. This means that the maximum value of the log differential pore volume is in the range of the pore diameter of 0.04 to 0.06 μm. From the viewpoint of excellent hydrogen gas permeability, the most frequent pore diameter is preferably in the range of 0.02 to 0.07 μm, and more preferably in the range of 0.05 to 0.07 μm. .

そして、中間層112の空孔構造において、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、中間層の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)以下であれば、空孔構造の均一性が確保され、水素ガス流路の機能が十分に発揮されうる。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 hole structure of the intermediate | middle layer 112, 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 hole distribution of the intermediate layer, the value of the log differential hole volume when the hole 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. If the full width at half maximum / peak height is 0.045 μm / (cm 3 g −1 ) or less, the uniformity of the pore structure is ensured, and the function of the hydrogen gas flow path can be sufficiently exhibited. 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.

また、水素ガスの透過性に優れるという観点からは、上記の水銀圧入法による中間層112の空孔分布における最頻空孔径のピークの半値幅は、好ましくは0.045μm以下であり、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。半値幅もまた、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。   Further, from the viewpoint of excellent hydrogen gas permeability, the half width of the peak of the most frequent pore diameter in the pore distribution of the intermediate layer 112 by the mercury intrusion method is preferably 0.045 μm or less, and more preferably Is 0.043 μm or less, more preferably 0.042 μm or less. The half-value width is also 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. It is.

さらに、水素ガスの透過性に優れるという観点からは、中間層112の空孔構造における空孔直径が0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積は、好ましくは0.40〜0.60cm−1であり、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。 Furthermore, from the viewpoint of excellent hydrogen gas permeability, the total pore volume in the pore diameter range of 0.01 to 0.50 μm in the pore structure of the intermediate layer 112 is preferably 0.40 to 0.00. a 60cm 3 g -1, more preferably 0.47~0.60cm 3 g -1, more preferably from 0.49~0.56cm 3 g -1.

本実施形態では、上述した好ましい空孔構造が中間層112の少なくとも一部に存在していればよい。言い換えると、中間層において、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。また、上述した好ましい空孔構造を有する領域が占める割合は、中間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。   In the present embodiment, it is only necessary that the above-described preferable hole structure exists in at least a part of the intermediate layer 112. In other words, in the intermediate layer, there may be a region having a pore structure that does not satisfy the numerical range described above in addition to a region having a pore structure that satisfies the numerical range described above. Further, the ratio of the region having the preferable pore structure described above is preferably 30 to 100% by volume, more preferably 40 to 100% by volume, and further preferably, based on the total volume of the intermediate layer. It is 50-100 volume%, Most preferably, it is 60-100 volume%, Most preferably, it is 100 volume% (whole).

また、他の好ましい形態として、中間層112の空隙率が所定範囲内であると好ましい。具体的には、中間層112の空隙率は、好ましくは40〜75%であり、より好ましくは45〜70%であり、さらに好ましくは55〜60%である。中間層112の空隙率が40%以上であれば、中間層112において水素ガス流路が十分に確保され、上述したメカニズムによる本発明の作用効果が効果的に発揮されうる。一方、中間層112の空隙率が75%以下であれば、中間層112におけるプロトン移動抵抗の増大が防止されうる。   As another preferred embodiment, the porosity of the intermediate layer 112 is preferably within a predetermined range. Specifically, the porosity of the intermediate layer 112 is preferably 40 to 75%, more preferably 45 to 70%, and still more preferably 55 to 60%. If the porosity of the intermediate layer 112 is 40% or more, a sufficient hydrogen gas flow path is ensured in the intermediate layer 112, and the effects of the present invention by the mechanism described above can be effectively exhibited. On the other hand, if the porosity of the intermediate layer 112 is 75% or less, an increase in proton transfer resistance in the intermediate layer 112 can be prevented.

図1に示す形態のMEA100では、中間層112において、触媒を含有しない触媒非含有層113nがプロトン還元層113aと水素酸化層113cとの間に介在している。上述したプロトン還元反応(HER)や水素酸化反応(HOR)は、中間層112の電位と仮想電位との電位差が大きいほど進行し易い。換言すれば、プロトン還元反応(HER)はアノードに近いほど進行し易く、水素酸化反応(HOR)はカソードに近いほど進行し易い。従って、図1に示す形態のように中間層112の両端部に触媒を配置してプロトン還元層113aおよび水素酸化層113cを構成すると、高価な触媒の使用量を最小限に抑えつつ、反応を効果的に進行させることが可能となる。ただし、かような形態のみには限定されない。例えば、中間層112の全体に触媒が分散した形態もまた、採用されうる。   In the MEA 100 of the form shown in FIG. 1, in the intermediate layer 112, a catalyst-free layer 113n containing no catalyst is interposed between the proton reduction layer 113a and the hydrogen oxide layer 113c. The proton reduction reaction (HER) and hydrogen oxidation reaction (HOR) described above are more likely to proceed as the potential difference between the potential of the intermediate layer 112 and the virtual potential increases. In other words, the proton reduction reaction (HER) is more likely to proceed closer to the anode, and the hydrogen oxidation reaction (HOR) is more likely to proceed closer to the cathode. Therefore, as shown in FIG. 1, if the proton reduction layer 113a and the hydrogen oxidation layer 113c are configured by disposing a catalyst at both ends of the intermediate layer 112, the reaction can be performed while minimizing the amount of expensive catalyst used. It is possible to proceed effectively. However, it is not limited only to such a form. For example, a form in which the catalyst is dispersed throughout the intermediate layer 112 can also be adopted.

また、図1に示す形態のMEA100では、高分子電解質膜110において、中間層112がアノード触媒層120a寄りに配置されている。かような形態によれば、以下のようなメリットが得られる。すなわち、アノード側からは燃料である水素ガスがリークし、カソード側からは酸化剤である空気や酸素ガスがリークする。そして、中間層112の電位はリークしてきたこれらのガスの分圧によって決定されるが、中間層112の電位がアノード触媒層120aの電位に近い方が、プロトン還元反応(HER)や燃料酸化反応(HOR)は円滑に進行するのである。よって、かような形態によれば、中間層112における燃料(水素ガス)の分圧を比較的大きくすることが可能となる結果、HERやHORの反応がスムーズに進行しうるのである。なお、「高分子電解質膜において中間層がアノード触媒層寄りに配置される」とは、中間層の厚み方向の中心面が、高分子電解質膜110の厚み方向の中心面よりもアノード触媒層側に位置するように中間層が配置されることを意味する。ただし、かような形態のみには限定されない。例えば、中間層が高分子電解質膜の中央に位置してもよいし、場合によってはカソード触媒層寄りに配置される形態も採用されうる。高分子電解質膜における中間層の配置位置については、高分子電解質膜110のシート状基材111や中間層112を構成する材料の特性、および燃料や酸化剤として用いられるガスの性状などに応じて決定すればよい。ただし一般的に、出力を向上させるという観点からは触媒層(120a、120c)間の距離は可能な限り小さいほど好ましい。かような観点からは、中間層を高分子電解質膜の中央に配置することが、製造上は好ましいといえる。   Further, in the MEA 100 of the form shown in FIG. 1, in the polymer electrolyte membrane 110, the intermediate layer 112 is disposed closer to the anode catalyst layer 120a. According to such a form, the following merits are obtained. That is, hydrogen gas as fuel leaks from the anode side, and air or oxygen gas as oxidant leaks from the cathode side. The potential of the intermediate layer 112 is determined by the partial pressure of these gases that have leaked. The proton reduction reaction (HER) or the fuel oxidation reaction occurs when the potential of the intermediate layer 112 is closer to the potential of the anode catalyst layer 120a. (HOR) proceeds smoothly. Therefore, according to such a form, the partial pressure of the fuel (hydrogen gas) in the intermediate layer 112 can be made relatively large, and as a result, the reaction of HER and HOR can proceed smoothly. The phrase “the intermediate layer is disposed closer to the anode catalyst layer in the polymer electrolyte membrane” means that the center plane in the thickness direction of the intermediate layer is closer to the anode catalyst layer than the center plane in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 110. It means that the intermediate layer is arranged so as to be located in However, it is not limited only to such a form. For example, the intermediate layer may be located at the center of the polymer electrolyte membrane, and in some cases, a configuration in which the intermediate layer is disposed near the cathode catalyst layer may be employed. The arrangement position of the intermediate layer in the polymer electrolyte membrane depends on the characteristics of the material constituting the sheet-like substrate 111 and the intermediate layer 112 of the polymer electrolyte membrane 110 and the properties of the gas used as the fuel and the oxidant. Just decide. In general, however, the distance between the catalyst layers (120a, 120c) is preferably as small as possible from the viewpoint of improving the output. From such a viewpoint, it can be said that the intermediate layer is preferably disposed in the center of the polymer electrolyte membrane.

さらに、図1に示す形態のMEA100では、シート状基材111における中間層112以外の部位が、短絡防止材を含む。かような形態とすることで、触媒層(120a、120c)と中間層112との電気的な絶縁がより確実に確保されうる。その結果、触媒層(120a、120c)間での短絡に伴う出力の低下やMEAの劣化といった問題の発生が抑制されうる。なお、短絡防止材の具体的な形態について特に制限はない。一例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE;商品名テフロン(登録商標))などの樹脂材料や各種フィブリル材料が挙げられる。これらは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。   Further, in the MEA 100 in the form shown in FIG. 1, a portion other than the intermediate layer 112 in the sheet-like substrate 111 includes a short-circuit preventing material. By setting it as such a form, the electrical insulation of a catalyst layer (120a, 120c) and the intermediate | middle layer 112 can be ensured more reliably. As a result, it is possible to suppress the occurrence of problems such as a decrease in output due to a short circuit between the catalyst layers (120a, 120c) and deterioration of MEA. In addition, there is no restriction | limiting in particular about the specific form of a short circuit prevention material. As an example, resin materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE; trade name Teflon (registered trademark)) and various fibril materials can be cited. These may be used alone or in combination of two or more.

中間層112の厚さは、MEAや中間層の構成材料の特性、所望の作用効果などを考慮して適宜決定され、特に限定されない。ただし、中間層112の厚さは、好ましくは2〜30μmであり、より好ましくは2〜20μmであり、さらに好ましくは3〜10μmであり、特に好ましくは3〜5μmである。中間層112の厚さがこのような範囲内の値であると、本発明の作用効果が十分に発揮されうる。また、図1に示すように、中間層112において触媒非含有層113nをプロトン還元層113aと水素酸化層113cとの間に介在させる場合の厚さの好ましい形態は、以下の通りである。プロトン還元層113aの厚さは、好ましくは1〜15μmであり、より好ましくは1〜5μmである。また、水素酸化層113cの厚さは、好ましくは1〜15μm)μmであり、より好ましくは1〜5μmである。触媒を含有する層の厚さがかような範囲内の値であると、高価な触媒の使用量を最小限に抑えつつ、上述したHERやHORの反応を効率的に進行させることが可能となる。   The thickness of the intermediate layer 112 is determined as appropriate in consideration of the characteristics of the constituent materials of the MEA and the intermediate layer, desired operational effects, and the like, and is not particularly limited. However, the thickness of the intermediate layer 112 is preferably 2 to 30 μm, more preferably 2 to 20 μm, still more preferably 3 to 10 μm, and particularly preferably 3 to 5 μm. When the thickness of the intermediate layer 112 is within such a range, the effects of the present invention can be sufficiently exerted. Moreover, as shown in FIG. 1, the preferable form of the thickness in the case where the catalyst non-containing layer 113n is interposed between the proton reduction layer 113a and the hydrogen oxidation layer 113c in the intermediate layer 112 is as follows. The thickness of the proton reduction layer 113a is preferably 1 to 15 μm, more preferably 1 to 5 μm. The thickness of the hydrogen oxide layer 113c is preferably 1 to 15 μm), more preferably 1 to 5 μm. When the thickness of the layer containing the catalyst is in such a range, the above-described HER and HOR reactions can be efficiently advanced while minimizing the amount of expensive catalyst used. Become.

中間層112から外部へのガスのリークを防止する目的で、中間層112の周囲にはガスケット(図示せず)が配置されてもよい。かようなガスケットの構成材料は特に制限されないが、ポリエチレンナフタレート(PEN)などの樹脂材料が挙げられる。なお、アノード側ガス拡散層/アノード触媒層/高分子電解質膜/カソード触媒層/カソード側ガス拡散層からなる積層体(ガス拡散電極)からのガスのリークを防止するためのガスケット(詳細は後述)に、中間層の周囲のガスケットとしての機能を持たせてもよい。かような形態によれば、PEFCを構成する部品点数が削減でき、PEFCの軽量化に資するため、好ましい。   For the purpose of preventing gas leakage from the intermediate layer 112 to the outside, a gasket (not shown) may be disposed around the intermediate layer 112. Although the constituent material of such a gasket is not particularly limited, a resin material such as polyethylene naphthalate (PEN) can be used. A gasket for preventing gas leakage from a laminate (gas diffusion electrode) composed of an anode side gas diffusion layer / anode catalyst layer / polymer electrolyte membrane / cathode catalyst layer / cathode side gas diffusion layer (details will be described later) ) May have a function as a gasket around the intermediate layer. According to such a form, the number of parts constituting the PEFC can be reduced, which contributes to the weight reduction of the PEFC, which is preferable.

以上、本発明の特徴的な構成である「中間層」について詳細に説明したが、以下では、MEA100を構成するその他の部材について、簡単に説明する。   Although the “intermediate layer” which is a characteristic configuration of the present invention has been described in detail above, other members constituting the MEA 100 will be briefly described below.

(触媒層)
触媒層(アノード触媒層120a、カソード触媒層120c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層120aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層120cでは酸素の還元反応が進行する。触媒層は、電極触媒および高分子電解質を含む。これらの具体的な形態について特に制限はなく、燃料電池の技術分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、触媒層に含まれる電極触媒としては、上述したプロトン還元触媒や水素酸化触媒と同様の触媒が用いられうる。また、触媒層に含まれる高分子電解質としても、高分子電解質膜を構成するシート状基材の構成材料として上記で説明したのと同様の高分子電解質が用いられうる。よって、ここでは詳細な説明を省略する。
(Catalyst layer)
The catalyst layers (the anode catalyst layer 120a and the cathode catalyst layer 120c) are layers in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 120a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 120c. The catalyst layer includes an electrode catalyst and a polymer electrolyte. These specific modes are not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the technical field of fuel cells. For example, as the electrode catalyst included in the catalyst layer, a catalyst similar to the above-described proton reduction catalyst or hydrogen oxidation catalyst can be used. Also, as the polymer electrolyte contained in the catalyst layer, the same polymer electrolyte as described above can be used as the constituent material of the sheet-like substrate constituting the polymer electrolyte membrane. Therefore, detailed description is omitted here.

触媒層における高分子電解質の含有量について特に制限はない。ただし、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。高分子電解質/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、高分子電解質/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。なお、触媒層の厚さについて特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、触媒層の厚さは、それぞれ、0.1〜100μm程度とすればよく、好ましくは1〜30μmであり、より好ましくは2〜10μmである。   There is no restriction | limiting in particular about content of the polymer electrolyte in a catalyst layer. However, the mass ratio of the content of the polymer electrolyte to the content of the electroconductive carrier in the catalyst layer (the mass ratio of the polymer electrolyte / the electroconductive carrier) is preferably 0.5 to 2.0, more preferably. It is 0.6-1.5, More preferably, it is 0.8-1.3. When the mass ratio of the polymer electrolyte / conductive carrier is 0.8 or more, it is preferable from the viewpoint of suppressing the internal resistance value of the membrane electrode assembly. On the other hand, the polymer electrolyte / conductive support mass ratio is preferably 1.3 or less from the viewpoint of suppressing flooding. In addition, there is no restriction | limiting in particular about the thickness of a catalyst layer, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, the thickness of each catalyst layer may be about 0.1 to 100 μm, preferably 1 to 30 μm, and more preferably 2 to 10 μm.

(ガス拡散層)
ガス拡散層(アノード側ガス拡散層140a、カソード側ガス拡散層140c)は、セパレータ流路を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layers (anode-side gas diffusion layer 140a, cathode-side gas diffusion layer 140c) have a function of promoting the diffusion of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through the separator flow path to the catalyst layer, and It functions as an electron conduction path.

ガス拡散層(140a、140c)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The material which comprises the base material of a gas diffusion layer (140a, 140c) 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.

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、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。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層:MLP)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer: MLP) composed of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the catalyst layer side of the base material. May be.

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

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。   Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in terms of mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.

(製造方法)
本実施形態のMEA100の製造方法は特に制限されず、MEAの技術分野において従来公知の製造方法に関する知見が適宜参照されうる。
(Production method)
The method for manufacturing the MEA 100 of the present embodiment is not particularly limited, and knowledge relating to a conventionally known manufacturing method in the technical field of MEA can be appropriately referred to.

本実施形態のMEA100を製造するには、まず、高分子電解質膜110を製造する。高分子電解質膜110を製造するには、例えば、図3(a)に示すように、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの樹脂からなる基材300の表面に、スクリーン印刷法などの各種塗布手段を用いて触媒インクを塗布し、必要に応じて熱処理を施して、アノード触媒層120a、中間層112、およびカソード触媒層120cを別々に作製する。この際、触媒インクは、触媒(触媒層用には電極触媒、中間層用にはプロトン還元触媒や水素酸化触媒として機能しうる触媒)および高分子電解質を溶媒に添加することにより調製すればよい。溶媒としては、水やプロピレングリコールなどが挙げられる。塗布後に熱処理を施すことで、触媒インク中に含まれる有機不純物が除去されうる。かような熱処理の具体的な条件に制限はないが、通常100〜150℃程度で5〜60分間程度である。   In order to manufacture the MEA 100 of this embodiment, first, the polymer electrolyte membrane 110 is manufactured. In order to manufacture the polymer electrolyte membrane 110, for example, as shown in FIG. 3A, various coating means such as a screen printing method are applied to the surface of a substrate 300 made of a resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE). Then, the catalyst ink is applied using heat treatment, and heat treatment is performed as necessary to separately produce the anode catalyst layer 120a, the intermediate layer 112, and the cathode catalyst layer 120c. At this time, the catalyst ink may be prepared by adding a catalyst (an electrode catalyst for the catalyst layer, a catalyst that can function as a proton reduction catalyst or a hydrogen oxidation catalyst for the intermediate layer) and a polymer electrolyte to the solvent. . Examples of the solvent include water and propylene glycol. By applying a heat treatment after the coating, organic impurities contained in the catalyst ink can be removed. Although there is no restriction | limiting in the specific conditions of such heat processing, Usually, it is about 5 to 60 minutes at about 100-150 degreeC.

PTFE基材200への触媒インクの塗布量にも制限はないが、最終的に得られる各層についての所望の形態に応じて、適宜調節すればよい。触媒層(120a、120c)を作製するには、触媒成分の担持量が0.1〜0.5mg/cm程度となるように、触媒インクを塗布すればよい。また、中間層112におけるプロトン還元層113aや水素酸化層113cを作製するには、触媒成分の担持量を比較的多めに、0.2〜1.0mg/cm程度となるように、触媒インクを塗布すればよい。 Although there is no restriction | limiting in the application quantity of the catalyst ink to the PTFE base material 200, What is necessary is just to adjust suitably according to the desired form about each layer finally obtained. In order to produce the catalyst layers (120a, 120c), the catalyst ink may be applied so that the supported amount of the catalyst component is about 0.1 to 0.5 mg / cm 2 . Further, in order to produce the proton reduction layer 113a and the hydrogen oxide layer 113c in the intermediate layer 112, the catalyst ink is adjusted so as to be about 0.2 to 1.0 mg / cm 2 with a relatively large amount of the catalyst component supported. May be applied.

なお、中間層112に所望の水素ガス流路を形成し、好ましくは上述した空孔構造や空隙率を付与するには、中間層112を構成する各成分の含有量を調節すればよい。具体的には、中間層112における空孔を大きくしたり、空隙率を大きくするには、中間層112の構成材料に占める高分子電解質や触媒、電子伝導体の体積分率が小さくなるように、これらの成分の配合量を比較的少なめにすればよい。また、中間層112に触媒を担持する野に用いられる触媒インクの粉砕条件等を制御することも考えられる。例えば、粉砕強度を強くすると、触媒の2次粒子サイズが小さくなり、よりパッキングされた(空隙率の少ない)層が形成されうる。   In addition, what is necessary is just to adjust content of each component which comprises the intermediate | middle layer 112, in order to form a desired hydrogen gas flow path in the intermediate | middle layer 112, and to provide the void | hole structure and porosity which were mentioned above preferably. Specifically, in order to increase the pores in the intermediate layer 112 or increase the porosity, the volume fraction of the polymer electrolyte, the catalyst, and the electron conductor in the constituent material of the intermediate layer 112 is decreased. The blending amount of these components may be relatively small. It is also conceivable to control the pulverization conditions of the catalyst ink used in the field where the catalyst is supported on the intermediate layer 112. For example, when the crushing strength is increased, the secondary particle size of the catalyst is reduced, and a more packed layer (having less porosity) can be formed.

続いて、図3(b)に示すように、高分子電解質膜110のシート状基材111を構成する電解質膜111’を準備する。そしてこの電解質膜111’のそれぞれの面に、上記で作製したアノード触媒層120aおよび中間層112が接するように積層し、PTEF基材を剥離・除去することにより、電解質膜111’のそれぞれの面にアノード触媒層120aおよび中間層112が転写・形成された積層体が得られる。同様に、別途準備した電解質膜111”の片面にカソード触媒層120cが転写・形成された積層体を作製する。なお、これまでの操作において、アノード触媒層120aとカソード触媒層120cとを入れ替えてもよい。   Subsequently, as shown in FIG. 3B, an electrolyte membrane 111 ′ constituting the sheet-like substrate 111 of the polymer electrolyte membrane 110 is prepared. Each surface of the electrolyte membrane 111 ′ is laminated so that the anode catalyst layer 120a and the intermediate layer 112 produced above are in contact with each other, and the PTEF base material is peeled and removed, whereby each surface of the electrolyte membrane 111 ′. Thus, a laminate in which the anode catalyst layer 120a and the intermediate layer 112 are transferred and formed is obtained. Similarly, a laminate in which the cathode catalyst layer 120c is transferred and formed on one side of the separately prepared electrolyte membrane 111 ″ is manufactured. In the above operations, the anode catalyst layer 120a and the cathode catalyst layer 120c are replaced. Also good.

次いで、図3(c)に示すように、上記で作製した2つの積層体を、露出している電解質膜111”と中間層112の露出面とが接するようにさらに積層し、必要に応じて加熱および/または加圧処理を施す。この際の加熱・加圧処理の具体的な条件に特に制限はないが、通常は120〜180℃程度で5〜60分間程度、0.5〜5MPa程度の圧力で行なえばよい。なお、中間層112の周囲にガスケットを配置するには、2つの積層体の積層時に、中間層112の周囲にガスケットの構成材料(例えば、PENフィルム310)を配置すればよい。   Next, as shown in FIG. 3 (c), the two laminates produced above are further laminated so that the exposed electrolyte membrane 111 '' and the exposed surface of the intermediate layer 112 are in contact with each other. There are no particular restrictions on the specific conditions of the heating / pressurizing treatment at this time, but usually at about 120 to 180 ° C. for about 5 to 60 minutes, about 0.5 to 5 MPa. In order to dispose a gasket around the intermediate layer 112, a material constituting the gasket (eg, PEN film 310) is disposed around the intermediate layer 112 when the two laminates are laminated. That's fine.

上述した操作によれば、均一な1層のみからなる中間層112がシート状基材111中に配置されてなる高分子電解質膜110が触媒層(120a、120c)で挟持されてなる積層体が得られる。こうして得られた積層体を、従来公知の手法によって一対のガス拡散層(140a、140c)でさらに挟持することによって、MEA100が得られる。   According to the operation described above, a laminate in which the polymer electrolyte membrane 110 in which the intermediate layer 112 consisting of only one uniform layer is disposed in the sheet-like substrate 111 is sandwiched between the catalyst layers (120a, 120c) is obtained. can get. The laminated body thus obtained is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (140a, 140c) by a conventionally known method, whereby MEA 100 is obtained.

なお、図1に示すように、両端部のみに触媒が配置された形態の中間層112を有する高分子電解質膜110の製造方法を、以下に簡単に説明する。かような電解質膜110を得るには、例えば、触媒に代えて電子伝導体を含むインクを成膜することにより、中間層112における触媒非含有層113nを作製する。そしてこの触媒非含有層113nの両面を別途成膜により得たプロトン還元層113aおよび水素酸化層113cで挟持する。かような操作を繰り返し、図1に示す各層を順次積層していくことによって、図1に示す形態のMEA100が製造可能である。   In addition, as shown in FIG. 1, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane 110 which has the intermediate | middle layer 112 of the form by which the catalyst is arrange | positioned only at both ends is demonstrated easily below. In order to obtain such an electrolyte membrane 110, for example, the catalyst-free layer 113n in the intermediate layer 112 is formed by depositing an ink containing an electron conductor instead of the catalyst. Then, both surfaces of the catalyst-free layer 113n are sandwiched between a proton reduction layer 113a and a hydrogen oxide layer 113c obtained separately by film formation. By repeating such operations and sequentially laminating the layers shown in FIG. 1, the MEA 100 having the configuration shown in FIG. 1 can be manufactured.

なお、MEA100の製造方法に関連するその他の形態(触媒の製造方法など)については、PEFCの製造に関する従来公知の知見が適宜参照されうるため、ここでは詳細な説明を省略する。   In addition, about the other form (catalyst manufacturing method etc.) relevant to the manufacturing method of MEA100, since the conventionally well-known knowledge regarding manufacture of PEFC can be referred suitably, detailed description is abbreviate | omitted here.

(燃料電池)
上述した形態のMEA100は、燃料電池の製造に用いられうる。図4は、図1に示す形態のMEA100を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)200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。なお、図4にはPEFCの単セルが図示されている。
(Fuel cell)
The MEA 100 in the above-described form can be used for manufacturing a fuel cell. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 200 using the MEA 100 having the configuration shown in FIG. FIG. 4 shows a PEFC single cell.

図4に示す固体高分子形燃料電池200は、図1に示す形態のMEA100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. 4 has the MEA 100 of the form shown in FIG. 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 flow path 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 flow path 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 side 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MEA100を有するPEFC200によれば、電池の運転に伴う起電力の低下が効果的に抑制されうる。   According to the PEFC 200 having the MEA 100 of the present invention as described above, a reduction in electromotive force associated with battery operation can be effectively suppressed.

以下、図4に示す形態のPEFC200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 PEFC200 of the form shown in FIG. 4 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、PEFC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、および冷却剤を互い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 cells in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as PEFC are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition wall 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.

以上、PEFCを例に挙げて説明したが、燃料電池としてはこの他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられ、いずれの電池にも適用されうる。   As described above, the PEFC has been described as an example, but other examples of the fuel cell include an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell, and can be applied to any cell.

(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によれば、電池の運転に伴う起電力の低下が抑えられることから、長期間に亘って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. According to the fuel cell or fuel cell stack of the present invention, since a decrease in electromotive force accompanying the operation of the battery can be suppressed, the fuel cell and the fuel cell stack are suitable for vehicle applications that require high output over a long period of time.

<CCMの作製>
以下の手法により、均一な1層のみからなる中間層112がシート状基材111中に配置されてなる高分子電解質膜110が触媒層(120a、120c)で挟持されてなる積層体(CCM;Catalyst Coated Membrane)を作製した。
<Production of CCM>
By the following method, a laminate (CCM) in which a polymer electrolyte membrane 110 in which an intermediate layer 112 consisting of only one uniform layer is disposed in a sheet-like substrate 111 is sandwiched between catalyst layers (120a, 120c). Catalyst Coated Membrane) was produced.

まず、電極触媒粉末(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社製)とアイオノマー分散液(Nafion(登録商標) DE2020CS、EW1000、DuPont社製)とを、高分子電解質(アイオノマー)/導電性担体(カーボン担体)の重量比の値が0.9となるように混合した。次いで、この溶液に50質量%プロピレングリコール水溶液を、インクの固形分が19質量%となるように添加して、触媒インクを調製した。   First, an electrode catalyst powder (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and an ionomer dispersion (Nafion (registered trademark) DE2020CS, EW1000, manufactured by DuPont) are combined with a polymer electrolyte (ionomer) / conductive support (carbon support). So that the weight ratio of the mixture was 0.9. Next, a 50% by mass propylene glycol aqueous solution was added to this solution so that the solid content of the ink was 19% by mass to prepare a catalyst ink.

別途準備した3枚のPTFE基材のそれぞれの表面に、上記で調製した触媒インクをスクリーン印刷法により50mm四方の正方形に塗布した。この際、2枚の基材には触媒成分である白金の担持量が0.35mg/cmとなるように塗布を行ない、残り1枚の基材には白金の担持量が0.70mg/cmとなるように塗布を行なった。次いでこれらの塗膜に、130℃にて30分間の熱処理を施し、有機不純物を除去した。これにより、2枚の電極触媒層(アノード触媒層、カソード触媒層)、および中間層がそれぞれ形成されたPTEF基材を得た。 The catalyst ink prepared above was applied to each square of 50 mm square on each surface of three separately prepared PTFE substrates by screen printing. At this time, coating was performed so that the supported amount of platinum as a catalyst component was 0.35 mg / cm 2 on the two substrates, and the supported amount of platinum was 0.70 mg / cm on the remaining one substrate. Application was performed so as to be cm 2 . Next, these coating films were subjected to a heat treatment at 130 ° C. for 30 minutes to remove organic impurities. Thus, a PTEF base material on which two electrode catalyst layers (an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) and an intermediate layer were formed was obtained.

さらに、別途準備した72mm四方の高分子電解質膜(DuPont社製、Nafion(登録商標)NRE211−CS、厚さ25μm)の中心部を、上記で形成したアノード触媒層と中間層とで挟持し、両最外層のPTFE基材を剥離して、アノード触媒層および中間層を高分子電解質膜のそれぞれの面に転写した。一方、さらに別途同様の高分子電解質膜を準備し、この片面に上記と同様の手法によりカソード触媒層を転写した。その後、中間層の周囲をガスケットとしてのポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム(帝人デュポンフィルム株式会社製、Q51、厚さ25μm)で包囲した。次いで、カソード触媒層が形成された高分子電解質膜の露出面と、中間層の露出面とを中心が重なるように接合し、得られた接合体に対してホットプレス処理を施した。これにより、CCMが完成した。なお、ホットプレス条件は、150℃、10分間、0.8MPaであった。また、作製されたCCMの構造は、アノード触媒層(厚さ10μm)/シート状基材(電解質膜)(Nafion(登録商標)NRE211−CS、厚さ25μm)/中間層(厚さ20μm)/シート状基材(電解質膜)(Nafion(登録商標)NRE211−CS、厚さ25μm)/カソード触媒層(厚さ10μm)であった。さらに、中間層の空隙率は約57%であった。   Furthermore, the central part of a 72 mm square polymer electrolyte membrane (DuPont, Nafion (registered trademark) NRE211-CS, thickness 25 μm) separately prepared is sandwiched between the anode catalyst layer and the intermediate layer formed above, The PTFE base materials of both outermost layers were peeled off, and the anode catalyst layer and the intermediate layer were transferred to the respective surfaces of the polymer electrolyte membrane. On the other hand, a similar polymer electrolyte membrane was prepared separately, and the cathode catalyst layer was transferred to one side by the same method as described above. Thereafter, the periphery of the intermediate layer was surrounded by a polyethylene naphthalate (PEN) film (Q51, thickness 25 μm, manufactured by Teijin DuPont Films Ltd.) as a gasket. Next, the exposed surface of the polymer electrolyte membrane on which the cathode catalyst layer was formed and the exposed surface of the intermediate layer were joined so that the centers overlap, and the obtained joined body was subjected to hot press treatment. This completed the CCM. The hot press conditions were 150 ° C., 10 minutes, and 0.8 MPa. The structure of the produced CCM is as follows: anode catalyst layer (thickness 10 μm) / sheet-like substrate (electrolyte membrane) (Nafion® NRE211-CS, thickness 25 μm) / intermediate layer (thickness 20 μm) / It was a sheet-like substrate (electrolyte membrane) (Nafion (registered trademark) NRE211-CS, thickness 25 μm) / cathode catalyst layer (thickness 10 μm). Furthermore, the porosity of the intermediate layer was about 57%.

<電池性能の評価>
上記で作製したCCMの両面を、マイクロポーラス層を有したガス拡散層(SGLカーボン社製、24BC)で挟持し、グラファイトカーボンからなるセパレータでさらに狭持して、PEFCの単セルを作成した。この単セルを用いて、以下の手法により電池性能を評価した。また、比較例として、中間層を有しないCCM(Nafion(登録商標)NRE211−CS、厚さ25μm(2枚))を用いて電池性能を評価した。
<Evaluation of battery performance>
A PEFC single cell was prepared by sandwiching both sides of the CCM produced above with a gas diffusion layer (SBC Carbon, 24BC) having a microporous layer and further sandwiching with a separator made of graphite carbon. Using this single cell, the battery performance was evaluated by the following method. In addition, as a comparative example, battery performance was evaluated using CCM (Nafion (registered trademark) NRE211-CS, thickness 25 μm (2 sheets)) having no intermediate layer.

具体的には、100%RHに加湿した水素ガスを両極に供給し、図5に示す電流密度の範囲で直流電流を流し、セル電圧の低下を計測した。なお、評価時にはセル温度を80℃とした。   Specifically, hydrogen gas humidified to 100% RH was supplied to both electrodes, a direct current was passed in the range of the current density shown in FIG. 5, and the cell voltage drop was measured. At the time of evaluation, the cell temperature was 80 ° C.

上記の電池性能評価の結果を図5に示す。図5に示す結果から、中間層を有しないCCMを用いた場合では、0.8A/cmの電流密度でセル電圧降下が0.2V以上であった。これに対し、中間層を有する実施例のCCMを用いた場合では、電流密度が1.6A/cmとなってもセル電圧降下は0.15V未満に抑えられていることがわかる。 The results of the battery performance evaluation are shown in FIG. From the results shown in FIG. 5, when the CCM having no intermediate layer was used, the cell voltage drop was 0.2 V or more at a current density of 0.8 A / cm 2 . On the other hand, in the case of using the CCM of the example having the intermediate layer, it can be seen that the cell voltage drop is suppressed to less than 0.15 V even when the current density is 1.6 A / cm 2 .

以上のことから、本発明によれば、燃料電池におけるガスのクロスリークに伴う起電力の低下などの問題の発生が有効に抑制されうることが示される。   From the above, according to the present invention, it is shown that the occurrence of problems such as a decrease in electromotive force due to gas cross leak in a fuel cell can be effectively suppressed.

本発明の一実施形態に係るMEA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。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of an MEA according to an embodiment of the present invention. 中間層が有する、好ましい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 preferable hole structure which an intermediate | middle layer has. 本発明によるMEAの代表的な製造工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the typical manufacturing process of MEA by this invention. 図1に示す形態のMEAを用いたPEFC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 PEFC using MEA of the form shown in FIG. 実施例において行なった電池性能評価の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the battery performance evaluation performed in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

100 膜電極接合体(MEA)、
110 高分子電解質膜、
111 シート状基材、
111’、111” 電解質膜、
112 中間層、
113a プロトン還元層、
113c 水素酸化層、
113n 触媒非含有層、
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(PEFC)、
300 基材(PTFE基材)、
310 PENフィルム、
HER プロトン還元反応、
HOR 水素酸化反応。
100 membrane electrode assembly (MEA),
110 polymer electrolyte membrane,
111 sheet-like substrate,
111 ', 111 "electrolyte membrane,
112 middle layer,
113a proton reduction layer,
113c hydrogen oxide layer,
113n catalyst-free layer,
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 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
300 base material (PTFE base material),
310 PEN film,
HER proton reduction reaction,
HOR Hydrogen oxidation reaction.

Claims (11)

高分子電解質からなるシート状基材と、
前記シート状基材中に当該シート状基材の面方向と平行に配置された、水素酸化触媒、プロトン還元触媒、高分子電解質および電子伝導体を含みシート状基材の厚み方向に向かって水素ガス流路が形成されてなる中間層と、
を有する、高分子電解質膜。
A sheet-like substrate made of a polymer electrolyte;
Hydrogen is provided in the sheet-like base material in the thickness direction of the sheet-like base material, including a hydrogen oxidation catalyst, a proton reduction catalyst, a polymer electrolyte, and an electron conductor, which are arranged in parallel to the surface direction of the sheet-like base material. An intermediate layer formed with a gas flow path;
A polymer electrolyte membrane.
前記中間層の水銀圧入法による空孔分布において、(1)最頻空孔径が、0.04〜0.06μm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、請求項1に記載の高分子電解質膜。 In the hole distribution by the mercury intrusion method of the intermediate layer, (1) the most frequent pore diameter is in the range of 0.04 to 0.06 μm, and (2) the peak height of the peak of the most frequent cavity diameter. 2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the half-value width ratio is 0.045 μm (cm 3 g −1 ) or less. 前記中間層の空隙率が、40〜75%である、請求項1または2に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the porosity of the intermediate layer is 40 to 75%. 前記シート状基材における前記中間層以外の部位が短絡防止材を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein a portion other than the intermediate layer in the sheet-like substrate contains a short-circuit preventing material. 前記電子伝導体が保水性材料である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the electron conductor is a water retention material. 前記水素酸化触媒および前記プロトン還元触媒の少なくとも一方が、白金、パラジウム、イリジウム、炭素、銀、金、ロジウム、ルテニウム、スズ、ケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、セリウムおよびこれらの合金からなる群から選択される触媒成分が導電性担体に担持されてなる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   At least one of the hydrogen oxidation catalyst and the proton reduction catalyst is platinum, palladium, iridium, carbon, silver, gold, rhodium, ruthenium, tin, silicon, titanium, zirconium, aluminum, hafnium, tantalum, niobium, cerium, and these The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein a catalyst component selected from the group consisting of alloys is supported on a conductive carrier. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に配置された、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と、
前記高分子電解質膜の他方の面に配置された、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カソード触媒層と、
前記高分子電解質膜、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層からなる積層体を挟持する一対のガス拡散層と、
を有する膜電極接合体。
The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6,
An anode catalyst layer that is disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane and includes an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte;
A cathode catalyst layer that is disposed on the other surface of the polymer electrolyte membrane and includes an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte;
A pair of gas diffusion layers sandwiching a laminate composed of the polymer electrolyte membrane, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
A membrane electrode assembly.
前記高分子電解質膜において、前記中間層が、
当該中間層の厚み方向の一端に配置された、前記プロトン還元触媒を含むプロトン還元層と、
当該中間層の厚み方向の他端に配置された、前記水素酸化触媒を含む水素酸化層と、
前記プロトン還元層と前記水素酸化層との間に介在する、前記プロトン還元触媒および前記水素酸化触媒を含まない触媒非含有層と、
を有する、請求項7に記載の膜電極接合体。
In the polymer electrolyte membrane, the intermediate layer is
A proton reduction layer including the proton reduction catalyst, disposed at one end in the thickness direction of the intermediate layer;
A hydrogen oxidation layer including the hydrogen oxidation catalyst, disposed at the other end in the thickness direction of the intermediate layer;
A catalyst-free layer that does not include the proton reduction catalyst and the hydrogen oxidation catalyst, interposed between the proton reduction layer and the hydrogen oxidation layer;
The membrane electrode assembly according to claim 7, comprising:
前記高分子電解質膜において、前記中間層が前記アノード触媒層寄りに配置されている、請求項7または8に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 7 or 8, wherein in the polymer electrolyte membrane, the intermediate layer is disposed closer to the anode catalyst layer. 請求項7〜9のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持す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 7 to 9,
A pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly;
A fuel cell.
請求項10に記載の燃料電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the fuel cell according to claim 10.
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