JP2010067505A - Fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell wherein conductivity of a catalyst layer is improved and a scaly carbon and a gold wire contained in the catalyst layer are prevented from bursting through an electrolyte film toward a facing electrode side. <P>SOLUTION: The fuel cell includes: the electrolyte film 410 having ion conductivity; an anode catalyst layer 430 and a cathode catalyst layer 420 laminated on the electrolyte film 410 for bearing a catalyst; and a circular conductor 550 contained in the anode catalyst layer 430 and the cathode catalyst layer 420, and formed in a circular shape with conductivity. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜を備える燃料電池に関し、特に、燃料電池の電解質膜に積層された触媒層に関する。   The present invention relates to a fuel cell including an electrolyte membrane, and more particularly to a catalyst layer laminated on an electrolyte membrane of a fuel cell.

電解質膜を備える燃料電池は、燃料ガスおよび酸化ガス(本明細書では、これらのガスを「反応ガス」と総称する)を用いて電気化学的に発電を行う。燃料電池において、燃料ガスは、電解質膜のアノード側に供給され、酸化ガスは、電解質膜のカソード側に供給される。電解質膜のアノード側およびカソード側には、反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒を担持する触媒層が積層されている。   A fuel cell including an electrolyte membrane performs electrochemical power generation using a fuel gas and an oxidizing gas (herein, these gases are collectively referred to as “reactive gas”). In the fuel cell, the fuel gas is supplied to the anode side of the electrolyte membrane, and the oxidizing gas is supplied to the cathode side of the electrolyte membrane. On the anode side and the cathode side of the electrolyte membrane, a catalyst layer supporting a catalyst that promotes an electrochemical reaction of the reaction gas is laminated.

従来、触媒層の導電性を向上させるために、鱗状カーボンや金ワイヤを触媒層に含有させた燃料電池が提案されていた(特許文献1)。   Conventionally, in order to improve the conductivity of the catalyst layer, a fuel cell in which scaly carbon or gold wire is contained in the catalyst layer has been proposed (Patent Document 1).

特開2004−158359号公報JP 2004-158359 A

しかしながら、鱗状カーボンや金ワイヤは鋭い端部を有することから、触媒層に含有される鱗状カーボンや金ワイヤが電解質膜に突き刺さって対向する電極側へと貫通しやすく、アノードとカソードとの間で反応ガスが漏れるクロスリークの原因になってしまうという問題があった。   However, since the scaly carbon or gold wire has a sharp end, the scaly carbon or gold wire contained in the catalyst layer is likely to pierce the electrolyte membrane and penetrate to the opposite electrode side, and between the anode and the cathode. There was a problem of causing a cross leak in which the reaction gas leaked.

本発明は、上記した課題を踏まえ、触媒層の導電性を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can improve the conductivity of a catalyst layer.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1] 適用例1の燃料電池は、イオン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜に積層され、触媒を担持する触媒層と、前記触媒層に含有され、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体とを備えることを特徴とする。適用例1の燃料電池によれば、鋭い端部を有しない環状導電体を用いて触媒層における電極面内方向への電子移動を媒介するため、電解質膜への突き刺さりを防止しつつ触媒層の導電性を向上させることができる。 [Application Example 1] The fuel cell of Application Example 1 is composed of an electrolyte membrane having ion conductivity, a catalyst layer stacked on the electrolyte membrane and supporting a catalyst, and contained in the catalyst layer, and configured with a smooth curve. And an annular conductor having a conductive shape. According to the fuel cell of Application Example 1, since an annular conductor having no sharp end portion is used to mediate electron movement in the direction of the electrode surface in the catalyst layer, the catalyst layer is prevented from being stuck to the electrolyte membrane. The conductivity can be improved.

[適用例2] 適用例1の燃料電池において、前記環状導電体は、円環状に形成され導電性を有する円環導電体を含むとしても良い。適用例2の燃料電池によれば、電解質膜への突き刺さりを一層防止することができる。なお、円環導電体は、円環状であれば良く、真円の環状でも良いし、楕円の環状でも良く、円環の一部が開いた「C」字状であっても良い。 Application Example 2 In the fuel cell according to Application Example 1, the annular conductor may include an annular conductor formed in an annular shape and having conductivity. According to the fuel cell of Application Example 2, it is possible to further prevent the electrolyte membrane from being stuck. The annular conductor may be an annular shape, may be a perfect circle, may be an ellipse, or may be a “C” shape with a part of the ring open.

[適用例3] 適用例1または適用例2の燃料電池において、前記環状導電体の外径は、50〜100マイクロメートルであっても良い。適用例2の燃料電池によれば、触媒層における電極面内方向の導電性を効果的に向上させることができる。 Application Example 3 In the fuel cell of Application Example 1 or Application Example 2, the outer diameter of the annular conductor may be 50 to 100 micrometers. According to the fuel cell of the application example 2, the conductivity in the electrode plane direction in the catalyst layer can be effectively improved.

[適用例4] 適用例1ないし適用例3のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体の厚みは、前記触媒層の厚みの3分の1以下であっても良い。適用例3の燃料電池によれば、複数の環状導電体が重なってしまった場合であっても、触媒層が局所的に厚くなってしまうのを抑制することができる。 Application Example 4 In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 3, the thickness of the annular conductor may be equal to or less than one third of the thickness of the catalyst layer. According to the fuel cell of Application Example 3, even when a plurality of annular conductors are overlapped, it is possible to suppress the catalyst layer from being locally thickened.

[適用例5] 適用例1ないし適用例4のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体は、炭素で形成されていても良い。適用例5の燃料電池によれば、環状導電体の経年劣化が触媒層に及ぼす影響を抑制することができる。 Application Example 5 In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 4, the annular conductor may be made of carbon. According to the fuel cell of Application Example 5, it is possible to suppress the influence of the aging deterioration of the annular conductor on the catalyst layer.

[適用例6] 適用例1ないし適用例4のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体は、前記触媒を担持する炭素担体で形成されていても良い。適用例6の燃料電池によれば、反応ガスの電気化学反応に有効に機能する触媒の量を更に増加させることができる。 Application Example 6 In the fuel cell of any one of Application Examples 1 to 4, the annular conductor may be formed of a carbon support that supports the catalyst. According to the fuel cell of Application Example 6, the amount of the catalyst that effectively functions in the electrochemical reaction of the reaction gas can be further increased.

[適用例7] 適用例1ないし適用例4のいずれかの燃料電池において、前記環状導電体は、金で形成されていても良い。適用例7の燃料電池によれば、触媒層における電極面内方向への導電性を更に向上させることができる。 Application Example 7 In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 4, the annular conductor may be made of gold. According to the fuel cell of Application Example 7, the conductivity of the catalyst layer in the in-plane direction of the electrode can be further improved.

[適用例8] 適用例8の燃料電池用触媒層は、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体を含有することを特徴とする。適用例8の燃料電池用触媒層によれば、鋭い端部を有しない環状導電体が触媒層における電極面内方向への電子移動を媒介するため、触媒層に隣接する電解質膜への突き刺さりを防止しつつ触媒層の導電性を向上させることができる。 [Application Example 8] The fuel cell catalyst layer of Application Example 8 is characterized in that it includes an annular conductor that is formed in an annular shape having a smooth curve and has conductivity. According to the fuel cell catalyst layer of Application Example 8, since the annular conductor having no sharp end mediates the electron transfer in the electrode surface direction in the catalyst layer, the piercing to the electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer is prevented. The conductivity of the catalyst layer can be improved while preventing.

また、本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。   In addition, the form of the present invention is not limited to the fuel cell, and can be applied to various forms such as a vehicle that travels using the power of the fuel cell, a power generation system that supplies the power of the fuel cell, and the like. It is. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention.

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。   In order to further clarify the configuration and operation of the present invention described above, a fuel cell to which the present invention is applied will be described below.

A.実施例:
A−1.燃料電池の全体構成:
図1は、燃料電池10の全体構成を示す説明図である。燃料電池10は、タンクや改質器などのガス供給部(図示しない)から供給される反応ガスの電気化学反応によって発電する。本実施例では、燃料電池10は、固体高分子型の燃料電池である。本実施例では、燃料電池10に用いられる反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池10に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池10で用いられる酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。
A. Example:
A-1. Overall configuration of the fuel cell:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of the fuel cell 10. The fuel cell 10 generates electric power by an electrochemical reaction of a reaction gas supplied from a gas supply unit (not shown) such as a tank or a reformer. In this embodiment, the fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell. In the present embodiment, the reaction gas used in the fuel cell 10 includes a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen. The fuel gas used in the fuel cell 10 may be a hydrogen gas stored in a hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, or may be a hydrogen gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel. As the oxidizing gas used in the fuel cell 10, for example, air taken from outside air can be used.

本実施例では、燃料電池10は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式の燃料電池である。燃料電池10に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池10の外部に排出される。本実施例では、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池10に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って、酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池10の外部に排出される。   In this embodiment, the fuel cell 10 is a circulation type fuel cell that circulates and reuses fuel gas. The fuel gas supplied to the fuel cell 10 decreases in hydrogen concentration as the electrochemical reaction proceeds, and is discharged outside the fuel cell 10 as an anode off gas. In this embodiment, the anode off gas is reused as fuel gas. The oxidizing gas supplied to the fuel cell 10 decreases in oxygen concentration as the electrochemical reaction proceeds, and is discharged to the outside of the fuel cell 10 as a cathode off gas.

図1に示すように、燃料電池10は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下、「MEA」と呼ぶ)320を有するMEAプレート300と、MEAプレート300に反応ガスを供給するセパレータ200とを交互に複数積層することによって、MEAプレート300を二つのセパレータ200で挟み込んだスタック構造を有する。燃料電池10は、交互に複数積層されたセパレータ200およびMEAプレート300を両側から挟持するエンドプレート100,400を備える。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes an MEA plate 300 having a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 320 and a separator 200 that supplies a reactive gas to the MEA plate 300. By stacking a plurality of layers alternately, the MEA plate 300 is sandwiched between two separators 200 so as to have a stack structure. The fuel cell 10 includes end plates 100 and 400 that sandwich separators 200 and MEA plates 300 that are alternately stacked.

燃料電池10を構成するエンドプレート100、セパレータ200、MEAプレート300の各部材は、隣接する部材間で相互に連通する複数の貫通孔を有し、これら複数の貫通孔が連通し合うことによって複数の流路が燃料電池10の内部に形成される。本実施例では、燃料電池10の内部に形成される流路のうち、燃料ガスに関する流路には、燃料電池10に供給された燃料ガスが流れる流路(図1の矢印H_IN)と、燃料電池10から排出されるアノードオフガスが流れる流路(図1の矢印H_OUT)とが含まれる。本実施例では、燃料電池10の内部に形成される流路のうち、酸化ガスに関する流路には、燃料電池10に供給された酸化ガスが流れる流路(図1の矢印A_IN)と、燃料電池10から排出されるカソードオフガスが流れる流路(図1の矢印A_OUT)とが含まれる。本実施例では、燃料電池10の内部に形成される流路のうち、冷却水に関する流路には、燃料電池10に供給された冷却水が流れる流路(図1の矢印W_IN)と、燃料電池10から排出される冷却水が流れる流路(図1の矢印W_OUT)とが含まれる。本実施例では、エンドプレート100に設けられた複数の貫通孔を介して、燃料ガスの供給、アノードオフガスの排出、酸化ガスの供給、カソードオフガスの排出、冷却水の供給、冷却水の排出が、燃料電池10に対して行われる。   Each member of the end plate 100, the separator 200, and the MEA plate 300 constituting the fuel cell 10 has a plurality of through-holes communicating with each other between adjacent members, and a plurality of these through-holes communicate with each other. Is formed inside the fuel cell 10. In the present embodiment, of the flow paths formed inside the fuel cell 10, the flow path related to the fuel gas includes a flow path (arrow H_IN in FIG. 1) through which the fuel gas supplied to the fuel cell 10 flows, And a flow path (arrow H_OUT in FIG. 1) through which the anode off-gas discharged from the battery 10 flows. In the present embodiment, among the channels formed inside the fuel cell 10, the channel related to the oxidizing gas includes a channel (arrow A_IN in FIG. 1) through which the oxidizing gas supplied to the fuel cell 10 flows, and the fuel. And a flow path (arrow A_OUT in FIG. 1) through which the cathode off-gas discharged from the battery 10 flows. In the present embodiment, among the flow paths formed inside the fuel cell 10, the flow path related to the cooling water includes a flow path (arrow W_IN in FIG. 1) through which the cooling water supplied to the fuel cell 10 flows, and fuel. And a flow path (arrow W_OUT in FIG. 1) through which cooling water discharged from the battery 10 flows. In this embodiment, fuel gas supply, anode off-gas discharge, oxidizing gas supply, cathode off-gas discharge, cooling water supply, and cooling water discharge are performed through a plurality of through holes provided in the end plate 100. To the fuel cell 10.

燃料電池10のセパレータ200は、反応ガスをMEAプレート300に供給する機能、MEAプレート300で生じた電気を集電する機能、MEAプレート300での反応熱を除去する冷却水を流す機能を備える。セパレータ200は、発電された電気を集電するのに十分な導電性を有すると共に、反応ガスおよび冷却水を流す上で十分な耐久性,耐熱性,ガス不透過性を有する材料から成る。本実施例では、セパレータ200の材料として、ステンレスが用いられるが、チタン,チタン合金などの金属の他、カーボン樹脂,導電性セラミックスであっても良い。本実施例では、セパレータ200は、三枚の平坦な薄板を積層して構成される三層積層型のセパレータであり、セパレータ200は、三枚の薄板として、カソードプレート210と、アノードプレート230と、中間プレート220とを備える。   The separator 200 of the fuel cell 10 has a function of supplying a reaction gas to the MEA plate 300, a function of collecting electricity generated by the MEA plate 300, and a function of flowing cooling water for removing reaction heat from the MEA plate 300. The separator 200 is made of a material that has sufficient conductivity to collect the generated electricity and has sufficient durability, heat resistance, and gas impermeability for flowing the reaction gas and cooling water. In this embodiment, stainless steel is used as the material of the separator 200, but in addition to metals such as titanium and titanium alloys, carbon resin and conductive ceramics may be used. In this embodiment, the separator 200 is a three-layer stacked separator configured by laminating three flat thin plates. The separator 200 is formed of three thin plates as a cathode plate 210, an anode plate 230, The intermediate plate 220 is provided.

燃料電池10のMEAプレート300は、MEA320にシールガスケット340を射出成形したシール一体型膜電極接合体(以下、「シール一体型MEA」という)350と、MEA320のアノード側の面に燃料ガスを拡散させるアノードガス拡散プレート310と、MEA320のカソード側の面に酸化ガスを拡散させるカソードガス拡散プレート330とを備える。本実施例では、MEAプレート300は、アノードガス拡散プレート310およびカソードガス拡散プレート330をシール一体型MEA350に嵌め込むことによって構成される。   The MEA plate 300 of the fuel cell 10 diffuses fuel gas to the anode-side surface of the MEA 320 and a seal-integrated membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “sealed-integrated MEA”) 350 obtained by injection molding a seal gasket 340 on the MEA 320. An anode gas diffusion plate 310 to be diffused, and a cathode gas diffusion plate 330 to diffuse an oxidizing gas on the cathode side surface of the MEA 320. In this embodiment, the MEA plate 300 is configured by fitting the anode gas diffusion plate 310 and the cathode gas diffusion plate 330 into the seal-integrated MEA 350.

MEAプレート300のアノードガス拡散プレート310およびカソードガス拡散プレート330は、MEA320とセパレータ200との間を導電するのに十分な導電性を有すると共に、反応ガスを透過するのに十分な連続した複数の気孔を形成する多孔体から成る。本実施例では、アノードガス拡散プレート310およびカソードガス拡散プレート330は、発泡金属から成るが、他の実施形態として、金属メッシュであっても良い。   The anode gas diffusion plate 310 and the cathode gas diffusion plate 330 of the MEA plate 300 are sufficiently conductive to conduct between the MEA 320 and the separator 200, and have a plurality of continuous plurality sufficient to transmit the reaction gas. It consists of a porous body that forms pores. In this embodiment, the anode gas diffusion plate 310 and the cathode gas diffusion plate 330 are made of foam metal, but may be a metal mesh as another embodiment.

アノードガス拡散プレート310は、MEA320のアノード側に接して積層されると共に、MEAプレート300がセパレータ200に挟持された状態で、セパレータ200のアノードプレート230に当接して、アノードプレート230のアノード供給口237から供給された燃料ガスを、MEA320のアノード側に拡散させる。アノードガス拡散プレート310によって拡散された燃料ガスは、アノードオフガスとして、アノードプレート230のアノード排出口238を介してアノードガス拡散プレート310から排出される。   The anode gas diffusion plate 310 is laminated in contact with the anode side of the MEA 320, and in contact with the anode plate 230 of the separator 200 in a state where the MEA plate 300 is sandwiched between the separators 200, the anode supply port of the anode plate 230 The fuel gas supplied from 237 is diffused to the anode side of the MEA 320. The fuel gas diffused by the anode gas diffusion plate 310 is discharged from the anode gas diffusion plate 310 through the anode discharge port 238 of the anode plate 230 as an anode off gas.

カソードガス拡散プレート330は、MEA320のカソード側に接して積層されると共に、MEAプレート300がセパレータ200に挟持された状態で、セパレータ200のカソードプレート210に当接して、カソードプレート210のカソード供給口217から供給された酸化ガスを、MEA320のカソード側に拡散させる。カソードガス拡散プレート330によって拡散された酸化ガスは、カソードオフガスとして、カソードプレート210のカソード排出口218を介してカソードガス拡散プレート330から排出される。   The cathode gas diffusion plate 330 is stacked in contact with the cathode side of the MEA 320, and in contact with the cathode plate 210 of the separator 200 with the MEA plate 300 sandwiched between the separators 200, the cathode supply port of the cathode plate 210. The oxidizing gas supplied from 217 is diffused to the cathode side of the MEA 320. The oxidizing gas diffused by the cathode gas diffusion plate 330 is discharged from the cathode gas diffusion plate 330 through the cathode discharge port 218 of the cathode plate 210 as a cathode off gas.

シール一体型MEA350のシールガスケット340は、MEA320を中央部に取り囲む状態でセパレータ200と略同一形状に成形されている。本実施例では、シールガスケット340は、シリコンゴム,ブチルゴム,フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料から成る。MEAプレート300がセパレータ200に挟持された状態で、シールガスケット340は、MEAプレート300を挟む二つのセパレータ200の間にMEA320,アノードガス拡散プレート310,カソードガス拡散プレート330を密封し、反応ガスや冷却水が燃料電池10の外部に漏れるのを防止する。   The seal gasket 340 of the seal-integrated MEA 350 is formed in substantially the same shape as the separator 200 in a state of surrounding the MEA 320 at the center. In this embodiment, the seal gasket 340 is made of an insulating resin material made of rubber having elasticity such as silicon rubber, butyl rubber, and fluorine rubber. In a state where the MEA plate 300 is sandwiched between the separators 200, the seal gasket 340 seals the MEA 320, the anode gas diffusion plate 310, and the cathode gas diffusion plate 330 between the two separators 200 that sandwich the MEA plate 300. The cooling water is prevented from leaking outside the fuel cell 10.

A−2.MEAの詳細構成:
図2は、第1の実施例におけるMEA320の積層構造を模式的に示す断面図である。シール一体型MEA350のMEA320は、カソード拡散層440と、カソード触媒層420と、電解質膜410と、アノード触媒層430と、アノード拡散層450とを備え、この順序で、これらの層は積層されている。カソード触媒層420およびカソード拡散層440は、電解質膜410のカソード側の面に積層され、アノード側のアノード電極層を構成する。アノード触媒層430およびアノード拡散層450は、電解質膜410のアノード側の面に積層され、カソード側のカソード電極層を構成する。
A-2. Detailed configuration of MEA:
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a stacked structure of the MEA 320 in the first embodiment. The MEA 320 of the seal-integrated MEA 350 includes a cathode diffusion layer 440, a cathode catalyst layer 420, an electrolyte membrane 410, an anode catalyst layer 430, and an anode diffusion layer 450, and these layers are laminated in this order. Yes. The cathode catalyst layer 420 and the cathode diffusion layer 440 are laminated on the cathode side surface of the electrolyte membrane 410 to constitute an anode electrode layer on the anode side. The anode catalyst layer 430 and the anode diffusion layer 450 are laminated on the anode side surface of the electrolyte membrane 410 to form a cathode electrode layer on the cathode side.

MEA320の電解質膜410は、イオン伝導性を有する電解質膜であり、本実施例では、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体から成る。例えば、電解質膜410は、アイオノマ樹脂であるパーフルオロスルホン酸イオン交換膜であっても良い。   The electrolyte membrane 410 of the MEA 320 is an electrolyte membrane having ion conductivity, and in this embodiment, is made of a proton conductor having proton conductivity. For example, the electrolyte membrane 410 may be a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane that is an ionomer resin.

MEA320のカソード拡散層440およびアノード拡散層450は、ガス透過性,導電性,撥水性を有し、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパと、撥水性を有する撥水樹脂(例えば、ポリテトラフロロエチレン(PTFE))とを混合した材料であっても良い。アノード拡散層450は、アノード触媒層430に接して積層され、アノード触媒層430に燃料ガスを拡散させる。カソード拡散層440は、カソード触媒層420に接して積層され、カソード触媒層420に燃料ガスを拡散させる。   The cathode diffusion layer 440 and the anode diffusion layer 450 of the MEA 320 have gas permeability, conductivity, and water repellency. For example, a carbon cloth or carbon paper that is a carbon porous body, and a water repellent resin ( For example, a material mixed with polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used. The anode diffusion layer 450 is laminated in contact with the anode catalyst layer 430 and diffuses fuel gas into the anode catalyst layer 430. The cathode diffusion layer 440 is stacked in contact with the cathode catalyst layer 420 and diffuses fuel gas into the cathode catalyst layer 420.

MEA320のカソード触媒層420およびアノード触媒層430は、電解質膜410を介して行われる反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性,導電性,撥水性を有する。本実施例では、カソード触媒層420の構成は、アノード触媒層430の構成と同様である。   The cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 of the MEA 320 have gas permeability, conductivity, and water repellency, in addition to a catalytic function that promotes an electrochemical reaction of the reaction gas performed through the electrolyte membrane 410. In this embodiment, the configuration of the cathode catalyst layer 420 is the same as the configuration of the anode catalyst layer 430.

図3は、アノード触媒層430の詳細構成を模式的に示す説明図である。アノード触媒層430は、触媒520を担持した担体510と、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂530と、円環状に形成され導電性を有する円環導電体550とを含有し、更に、撥水性を有する撥水樹脂(例えば、ポリテトラフロロエチレン(PTFE))を含有しても良い。本実施例では、アノード触媒層430は、担体510,アイオノマ樹脂530,円環導電体550を混合した材料を電解質膜410に吹き付けて形成されるが、他の実施形態において、担体510,アイオノマ樹脂530を混合した材料を電解質膜410に塗布し、その塗布した材料の上に円環導電体550を散布した後にコールドプレスを施すことによってアノード触媒層430を形成しても良い。   FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a detailed configuration of the anode catalyst layer 430. The anode catalyst layer 430 includes a carrier 510 that supports the catalyst 520, an ionomer resin 530 that is a proton conductor, and an annular conductor 550 that is formed in an annular shape and has conductivity, and further has water repellency. A water repellent resin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE)) may be contained. In this embodiment, the anode catalyst layer 430 is formed by spraying a material obtained by mixing the carrier 510, the ionomer resin 530, and the annular conductor 550 onto the electrolyte membrane 410. However, in another embodiment, the anode 510, ionomer resin is formed. The anode catalyst layer 430 may be formed by applying a material mixed with 530 to the electrolyte membrane 410 and spraying the annular conductor 550 on the applied material, followed by cold pressing.

本実施例では、アノード触媒層430の触媒520は、白金または白金合金を含む白金系触媒である。本実施例では、アノード触媒層430の担体510は、アモルファス炭素担体であるカーボンブラック担体であるが、他の実施形態において、結晶構造を有する炭素担体であるグラファイト担体であっても良い。   In this embodiment, the catalyst 520 of the anode catalyst layer 430 is a platinum-based catalyst containing platinum or a platinum alloy. In this example, the support 510 of the anode catalyst layer 430 is a carbon black support that is an amorphous carbon support. However, in another embodiment, the support 510 may be a graphite support that is a carbon support having a crystal structure.

本実施例では、アノード触媒層430の円環導電体550は、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体であり、本実施例では、円環状に成形されたカーボンである。円環導電体550の形状は、円環状であれば良く、真円の環状でも良いし、楕円の環状でも良く、円環の一部が開いて「C」字状であっても良い。   In the present embodiment, the annular conductor 550 of the anode catalyst layer 430 is an annular conductor having a smooth shape and having an annular shape. In the present embodiment, the annular conductor 550 is a carbon formed into an annular shape. It is. The shape of the annular conductor 550 may be an annular shape, may be a perfect circle shape, may be an elliptical shape, or may be a “C” shape with a part of the ring open.

本実施例では、円環導電体550の外径すなわち直径は、50〜100マイクロメートルである。担体510とアイオノマ樹脂530とで形成された触媒層を発明者が評価したところ、触媒層において電極面内方向で100マイクロメートル以上離れると導電性が特に低下する結果を得た。この結果から、円環導電体550の直径は、円環導電体550の外側においてアノード触媒層430の導電性を向上させるために50マイクロメートル以上であることが好ましく、円環導電体550の内側においてアノード触媒層430の導電性を確保するために100マイクロメートル以内であることが好ましい。   In the present embodiment, the outer diameter, that is, the diameter of the annular conductor 550 is 50 to 100 micrometers. The inventors have evaluated the catalyst layer formed of the carrier 510 and the ionomer resin 530. As a result, when the catalyst layer is separated by 100 micrometers or more in the electrode in-plane direction, the conductivity is particularly lowered. From this result, the diameter of the toric conductor 550 is preferably 50 micrometers or more in order to improve the conductivity of the anode catalyst layer 430 outside the toric conductor 550, and the inside of the toric conductor 550 is In order to ensure the conductivity of the anode catalyst layer 430, the thickness is preferably within 100 micrometers.

本実施例では、円環導電体550の厚みは、アノード触媒層430の厚みの3分の1以下である。例えば、アノード触媒層430の厚みが15マイクロメートルである場合、円環導電体550の厚みは5マイクロメートル以下である。   In this example, the thickness of the annular conductor 550 is not more than one third of the thickness of the anode catalyst layer 430. For example, when the thickness of the anode catalyst layer 430 is 15 micrometers, the thickness of the annular conductor 550 is 5 micrometers or less.

アノード触媒層430における担体510とアイオノマ樹脂530とで形成された構造は、電解質膜410からアノード拡散層450へと連続する連続構造部52と、電解質膜410からアノード拡散層450への途中で途切れた不連続構造部54とを含む。図3に示す例では、アノード触媒層430に含有された円環導電体550が、連続構造部52および不連続構造部54に接続し、連続構造部52と不連続構造部54との間における電子移動を媒介する様子が示されている。   The structure formed by the support 510 and the ionomer resin 530 in the anode catalyst layer 430 is interrupted in the middle of the continuous structure portion 52 that continues from the electrolyte membrane 410 to the anode diffusion layer 450 and the electrolyte membrane 410 to the anode diffusion layer 450. And the discontinuous structure portion 54. In the example shown in FIG. 3, the annular conductor 550 contained in the anode catalyst layer 430 is connected to the continuous structure portion 52 and the discontinuous structure portion 54, and between the continuous structure portion 52 and the discontinuous structure portion 54. The state of mediating electron transfer is shown.

以上説明した燃料電池10によれば、鋭い端部を有しない円環導電体550を用いてカソード触媒層420およびアノード触媒層430における電極面内方向への電子移動を媒介するため、電解質膜410への突き刺さりを防止しつつカソード触媒層420およびアノード触媒層430の導電性を向上させることができる。また、円環導電体550の直径は50〜100マイクロメートルであることから、カソード触媒層420およびアノード触媒層430における電極面内方向の導電性を効果的に向上させることができる。また、円環導電体550の厚さはカソード触媒層420およびアノード触媒層430の3分の1以下であることから、複数の円環導電体550が重なってしまった場合であっても、カソード触媒層420およびアノード触媒層430が局所的に厚くなってしまうのを抑制することができる。   According to the fuel cell 10 described above, since the annular conductor 550 having no sharp end is used to mediate electron movement in the in-plane direction of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430, the electrolyte membrane 410 The conductivity of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 can be improved while preventing sticking to the surface. In addition, since the diameter of the annular conductor 550 is 50 to 100 micrometers, the conductivity in the electrode plane direction in the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 can be effectively improved. In addition, since the thickness of the annular conductor 550 is not more than one-third of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430, the cathode conductor layer 550 can be used even when the plurality of annular conductors 550 overlap. It can suppress that the catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 become thick locally.

B.変形例:
変形例の燃料電池10は、円環導電体が触媒520を担持する炭素担体で形成されている点以外は、前述した実施例と同様である。本変形例においても、カソード触媒層420の構成は、アノード触媒層430の構成と同様である。
B. Variation:
The fuel cell 10 of the modified example is the same as the above-described embodiment except that the annular conductor is formed of a carbon carrier that supports the catalyst 520. Also in this modification, the configuration of the cathode catalyst layer 420 is the same as the configuration of the anode catalyst layer 430.

図4は、変形例におけるアノード触媒層430の詳細構成を模式的に示す説明図である。変形例のアノード触媒層430は、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂530と、触媒520を担持した炭素担体で形成された円環導電体552とを含有する。本変形例では、アノード触媒層430は、アイオノマ樹脂530,円環導電体552を混合した材料を電解質膜410に吹き付けて形成されるが、他の実施形態において、アイオノマ樹脂530を電解質膜410に塗布し、その塗布したアイオノマ樹脂530の上に円環導電体552を散布した後にコールドプレスを施すことによってアノード触媒層430を形成しても良い。   FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a detailed configuration of the anode catalyst layer 430 in the modification. The modified anode catalyst layer 430 includes an ionomer resin 530 that is a proton conductor and an annular conductor 552 that is formed of a carbon carrier that supports the catalyst 520. In this modification, the anode catalyst layer 430 is formed by spraying a material obtained by mixing the ionomer resin 530 and the annular conductor 552 onto the electrolyte membrane 410. However, in another embodiment, the ionomer resin 530 is applied to the electrolyte membrane 410. The anode catalyst layer 430 may be formed by applying and cold-pressing the annular conductor 552 on the applied ionomer resin 530.

以上説明した変形例の燃料電池10によれば、鋭い端部を有しない円環導電体552を用いてカソード触媒層420およびアノード触媒層430における電極面内方向への電子移動を媒介するため、電解質膜410への突き刺さりを防止しつつカソード触媒層420およびアノード触媒層430の導電性を向上させることができる。また、円環導電体552自体が触媒520を担持することから、反応ガスの電気化学反応に有効に機能する触媒520の量を更に増加させることができる。   According to the fuel cell 10 of the modified example described above, the annular conductor 552 that does not have a sharp end is used to mediate the electron movement in the electrode plane direction in the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430. The conductivity of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 can be improved while preventing the electrolyte membrane 410 from being stuck. Further, since the annular conductor 552 itself carries the catalyst 520, the amount of the catalyst 520 that effectively functions in the electrochemical reaction of the reaction gas can be further increased.

C.他の実施形態:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。また、本実施例では、プロトン透過型の電解質膜を用いた固体高分子型の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、水酸化物イオン透過型の電解質膜を用いたアルカリ型燃料電池に本発明を適用しても良い。
C. Other embodiments:
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can of course be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. is there. For example, in the present embodiment, a so-called circulation type fuel cell has been described. However, in another embodiment, the present invention may be applied to a so-called dead end type fuel cell that uses up the fuel gas once supplied to the fuel cell. good. In this example, a solid polymer fuel cell using a proton permeable electrolyte membrane was described. In another embodiment, an alkaline fuel cell using a hydroxide ion permeable electrolyte membrane was used. The present invention may be applied to.

また、実施例における円環導電体550は、カーボンで形成されているとしたが、金で形成されているとしても良い。これによって、カソード触媒層420およびアノード触媒層430における電極面内方向への導電性を更に向上させることができる。   In addition, the annular conductor 550 in the embodiment is made of carbon, but may be made of gold. As a result, the conductivity in the in-electrode direction of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 can be further improved.

また、前述の実施例では、カソード触媒層420およびアノード触媒層430の各々が円環導電体550を含有するとしたが、カソード触媒層420およびアノード触媒層430の少なくとも一方が円環導電体550を含有するとしても良い。また、前述の変形例では、カソード触媒層420およびアノード触媒層430の各々が円環導電体552を含有するとしたが、カソード触媒層420およびアノード触媒層430の少なくとも一方が円環導電体552を含有するとしても良い。また、前述の実施例において、円環導電体550に代えて、触媒520を担持した円環導電体552を用いても良い。   In the above-described embodiment, each of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 includes the annular conductor 550. However, at least one of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 includes the annular conductor 550. It may be contained. In the above-described modification, each of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 includes the annular conductor 552. However, at least one of the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 includes the annular conductor 552. It may be contained. In the above-described embodiment, the annular conductor 552 carrying the catalyst 520 may be used in place of the annular conductor 550.

また、カソード触媒層420およびアノード触媒層430に含有される導電体は、円環状に形成され導電性を有する円環導電体550,552に限るものではなく、滑らかな曲線で構成された環状に形成された導電体であれば、三角形や四角形を含む多角形の角を丸めた環状に形成された導電体であっても良く、この多角形の角を丸めた環状の一部が開いた導電体であっても良い。   Further, the conductors contained in the cathode catalyst layer 420 and the anode catalyst layer 430 are not limited to the annular conductors 550 and 552 that are formed in an annular shape and have conductivity, but in an annular shape configured by a smooth curve. As long as the conductor is formed, it may be a conductor formed in an annular shape with rounded corners of a polygon including a triangle or a quadrangle, and the conductive material with a part of the annular shape with rounded corners of the polygon opened. It may be the body.

燃料電池の全体構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the whole structure of a fuel cell. 第1の実施例におけるMEAの積層構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the laminated structure of MEA in a 1st Example. アノード触媒層の詳細構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the detailed structure of an anode catalyst layer typically. 変形例におけるアノード触媒層の詳細構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the detailed structure of the anode catalyst layer in a modification.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池
52…連続構造部
54…不連続構造部
100…エンドプレート
200…セパレータ
210…カソードプレート
217…カソード供給口
218…カソード排出口
220…中間プレート
230…アノードプレート
237…アノード供給口
238…アノード排出口
310…アノードガス拡散プレート
320…MEA
330…カソードガス拡散プレート
340…シールガスケット
410…電解質膜
420…カソード触媒層
430…アノード触媒層
440…カソード拡散層
450…アノード拡散層
510…担体
520…触媒
530…アイオノマ樹脂
550…円環導電体
552…円環導電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 52 ... Continuous structure part 54 ... Discontinuous structure part 100 ... End plate 200 ... Separator 210 ... Cathode plate 217 ... Cathode supply port 218 ... Cathode discharge port 220 ... Intermediate plate 230 ... Anode plate 237 ... Anode supply port 238 ... Anode outlet 310 ... Anode gas diffusion plate 320 ... MEA
330 ... Cathode gas diffusion plate 340 ... Seal gasket 410 ... Electrolyte membrane 420 ... Cathode catalyst layer 430 ... Anode catalyst layer 440 ... Cathode diffusion layer 450 ... Anode diffusion layer 510 ... Support 520 ... Catalyst 530 ... Ionomer resin 550 ... Toroidal conductor 552 ... Ring conductor

Claims (8)

イオン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜に積層され、触媒を担持する触媒層と、
前記触媒層に含有され、滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体と
を備える燃料電池。
An electrolyte membrane having ionic conductivity;
A catalyst layer laminated on the electrolyte membrane and carrying a catalyst;
A fuel cell comprising: an annular conductor that is contained in the catalyst layer and is formed in an annular shape having a smooth curve and has conductivity.
前記環状導電体は、円環状に形成され導電性を有する円環導電体を含む請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the annular conductor includes an annular conductor formed in an annular shape and having conductivity. 前記環状導電体の外径は、50〜100マイクロメートルである請求項1または請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the outer diameter of the annular conductor is 50 to 100 micrometers. 前記環状導電体の厚みは、前記触媒層の厚みの3分の1以下である請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein a thickness of the annular conductor is equal to or less than one third of a thickness of the catalyst layer. 前記環状導電体は、炭素で形成されている請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the annular conductor is made of carbon. 前記環状導電体は、前記触媒を担持する炭素担体で形成されている請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the annular conductor is formed of a carbon carrier that supports the catalyst. 前記環状導電体は、金で形成されている請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the annular conductor is made of gold. 滑らかな曲線で構成された環状に形成され導電性を有する環状導電体を含有する燃料電池用触媒層。   A catalyst layer for a fuel cell, comprising a ring-shaped conductor having a smooth shape and formed in a ring shape.
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