JP2011070926A - Electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents

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Kei Ono
圭 小野
Noboru Yamauchi
昇 山内
Shinji Miyagawa
慎二 宮川
Hiromi Sugimoto
博美 杉本
Yoichi Sato
洋一 佐藤
Masahiro Ito
昌洋 伊東
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane-electrode joint body having excellent durability and power generation performance, in particular, the electrolyte membrane-electrode joint body for a fuel cell. <P>SOLUTION: This electrolyte membrane-electrode joint body has: an electrolyte membrane; a cathode catalyst layer arranged in one side of the electrolyte membrane; a cathode side gas diffusion layer arranged in the cathode catalyst layer, and an anode catalyst layer; and an anode side gas diffusion layer arranged sequentially in the other side of the electrolyte membrane. An impurity trapping member is arranged between the cathode catalyst layer and the cathode side gas diffusion layer, between the anode catalyst layer and the anode side gas diffusion layer, in an inside of the cathode catalyst layer, or in an inside of the anode catalyst layer; the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer contain a fluorine electrolyte; and the impurity trapping member contains a hydrocarbon electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。特に、本発明は、耐久性および発電性能に優れる電解質膜−電極接合体、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), and more particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell. In particular, the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly excellent in durability and power generation performance, and particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell.

従来、燃料電池の触媒層や電解質膜を構成する高分子電解質は、主にフッ素系電解質と炭化水素系電解質とに大別される。これらのうち、フッ素系電解質は、C−F結合を有しているために耐熱性や化学的安定性に優れるため、特に、Nafion(登録商標、デュポン社製)の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸に代表されるフッ素系電解質が使用されている。しかし、フッ素系電解質は、製造が困難で、非常に高価であるという欠点がある。このため、フッ素系電解質に代えて、炭化水素系電解質を使用することが考えられている。この炭化水素系電解質は、上記フッ素系電解質と比較すると、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う利点がある。しかし、炭化水素系電解質の層は、プロトン伝導性が低いため、発電性能の低下を招く。このため、炭化水素系電解質を触媒層に使用するには不十分であった。   Conventionally, polymer electrolytes constituting a catalyst layer and an electrolyte membrane of a fuel cell are roughly classified into a fluorine-based electrolyte and a hydrocarbon-based electrolyte. Among these, the fluorine-based electrolyte is excellent in heat resistance and chemical stability because it has a C—F bond, and in particular, perfluoro known under the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont). A fluorine-based electrolyte typified by sulfonic acid is used. However, the fluorine-based electrolyte has drawbacks that it is difficult to manufacture and is very expensive. For this reason, it is considered to use a hydrocarbon electrolyte instead of the fluorine electrolyte. This hydrocarbon-based electrolyte has an advantage that the raw material is inexpensive, the manufacturing process is simple, and the selectivity of the material is high as compared with the above-mentioned fluorine-based electrolyte. However, the hydrocarbon-based electrolyte layer has low proton conductivity, which causes a decrease in power generation performance. For this reason, it was insufficient to use a hydrocarbon-based electrolyte in the catalyst layer.

このため、従来、触媒層にはフッ素系電解質をおよび電解質膜には炭化水素系電解質を使用することも提案された。しかし、このように触媒層及び電解質膜を異なる材料とした場合には、密着性が不十分となり、これらの界面で剥離が発生して、界面での電気抵抗が上昇し、電池性能の信頼性の低下をもたらす。   For this reason, conventionally, it has also been proposed to use a fluorine-based electrolyte for the catalyst layer and a hydrocarbon-based electrolyte for the electrolyte membrane. However, when the catalyst layer and the electrolyte membrane are made of different materials in this way, the adhesion is insufficient, peeling occurs at these interfaces, the electrical resistance at the interfaces increases, and the reliability of the battery performance Bring about a decline.

上記問題を解消するために、触媒層と電解質膜との間に接着層を設けることが提案された(例えば、特許文献1)。特許文献1は、フッ素系電解質を含む触媒電極と炭化水素系電解質からなる電解質膜との間に、炭化水素系電解質を含む接着層を設けることを特徴とする。特許文献1によると、触媒層と電解質膜との界面での密着性を高めることができる。また、ダイレクトメタノール型燃料電池では、フッ素系(特にパーフルオロスルホン酸系)電解質の層がメタノールの透過遮断能が低いものの、炭化水素系電解質の層はメタノール遮断性能に優れるため、メタノールのクロスオーバーを抑制できる。   In order to solve the above problem, it has been proposed to provide an adhesive layer between the catalyst layer and the electrolyte membrane (for example, Patent Document 1). Patent Document 1 is characterized in that an adhesive layer containing a hydrocarbon electrolyte is provided between a catalyst electrode containing a fluorine electrolyte and an electrolyte membrane made of a hydrocarbon electrolyte. According to Patent Literature 1, adhesion at the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane can be improved. In direct methanol fuel cells, although the fluorine-based (especially perfluorosulfonic acid) electrolyte layer has low methanol permeation-blocking capability, the hydrocarbon-based electrolyte layer has excellent methanol blocking performance. Can be suppressed.

特開2007−26708号公報JP 2007-26708 A

しかし、特許文献1では、触媒イオンの溶出を防ぐことは出来るが、触媒層中における炭化水素高分子電解質は物質輸送性能が低い為、特許文献1の燃料電池は、特に高電流密度領域における発電性能が劣り、耐久性と発電性能の両立が出来ない。   However, in Patent Document 1, although elution of catalyst ions can be prevented, since the hydrocarbon polymer electrolyte in the catalyst layer has low material transport performance, the fuel cell of Patent Document 1 is particularly suitable for power generation in a high current density region. Performance is inferior, and durability and power generation performance cannot be compatible.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、耐久性および発電性能に優れる電解質膜−電極接合体、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly, particularly an electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells, which is excellent in durability and power generation performance.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、触媒層内または触媒層とガス拡散層との間に、炭化水素電解質を含む不純物トラップ部材を配置することによって、上記課題が解決できることを知得した。上記知見に基づいて、本発明を完成した。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that the above problem can be solved by disposing an impurity trap member containing a hydrocarbon electrolyte in the catalyst layer or between the catalyst layer and the gas diffusion layer. Based on the above findings, the present invention has been completed.

すなわち、上記目的は、炭化水素電解質含有触媒層を触媒層内または触媒層とガス拡散層との間に配置してなる電解質膜−電極接合体によって達成される。   That is, the above object is achieved by an electrolyte membrane-electrode assembly in which a hydrocarbon electrolyte-containing catalyst layer is disposed in the catalyst layer or between the catalyst layer and the gas diffusion layer.

本発明によれば、物質輸送性能を低下させることなく、電解質膜への外部からの不純物等のコンタミのトラップをすることが出来る。したがって、本発明の電解質膜−電極接合体は、耐久性および発電性能に優れる。   According to the present invention, contaminants such as impurities from the outside can be trapped in the electrolyte membrane without deteriorating the material transport performance. Therefore, the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in durability and power generation performance.

本発明の燃料電池の一実施形態である、固体高分子形燃料電池の一般的な全体構造を模式的に表した断面外略図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a polymer electrolyte fuel cell which is an embodiment of a fuel cell of the present invention. 本発明の電解質膜−電極接合体の一般的な全体構造を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the general whole structure of the electrolyte membrane-electrode assembly of this invention. 本発明の電解質膜−電極接合体における不純物トラップ部材の配置の一実施形態を示す断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which shows one Embodiment of arrangement | positioning of the impurity trap member in the electrolyte membrane-electrode assembly of this invention. 本発明の電解質膜−電極接合体における不純物トラップ部材の触媒層内での代表的な配置形態を示す断面概略図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a typical arrangement of an impurity trap member in a catalyst layer in the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention. 実施例1のMEA(1)の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an MEA (1) in Example 1. FIG. 実施例2のMEA(2)の概略断面図である。3 is a schematic cross-sectional view of MEA (2) of Example 2. FIG. 実施例3のMEA(3)の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of MEA (3) of Example 3. FIG. 実施例4のMEA(4)の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of MEA (4) of Example 4. FIG. 比較例1の比較MEA(1)の概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view of a comparative MEA (1) of Comparative Example 1. FIG. 比較例2の比較MEA(2)の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a comparative MEA (2) of Comparative Example 2. FIG. 本発明の燃料電池を搭載した車両を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the vehicle carrying the fuel cell of this invention.

本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、前記カソード触媒層に配置された、カソード側ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の側に順次配置された、アノード触媒層と、および前記アノード触媒層に配置された、アノード側ガス拡散層と、有し、不純物トラップ部材が、前記カソード触媒層および前記カソード側ガス拡散層との間に、前記アノード触媒層と前記アノード側ガス拡散層との間に、前記カソード触媒層内に、または前記アノード触媒層内に、配置され、前記カソード触媒層およびアノード触媒層は、フッ素系電解質を含み、前記不純物トラップ部材は、炭化水素電解質を含む、電解質膜−電極接合体に関する。   The present invention provides an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, a cathode side gas diffusion layer disposed on the cathode catalyst layer, and the other side of the electrolyte membrane sequentially. An anode catalyst layer disposed in the anode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer disposed in the anode catalyst layer, wherein the impurity trap member is disposed between the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer, Between the anode catalyst layer and the anode side gas diffusion layer, disposed in the cathode catalyst layer or in the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include a fluorine-based electrolyte, The impurity trap member relates to an electrolyte membrane-electrode assembly including a hydrocarbon electrolyte.

燃料電池の運転中では、通常、負荷器に供給する電力の変動によって、当該燃料電池の出力電圧(運転電圧)が周期的または非周期的に変動する現象(負荷サイクル)が発生する。負荷サイクルの発生は、触媒層を構成する触媒の酸化、還元反応を頻繁に反復させる。一般的に、発電性能を鑑みて、触媒層には白金が主として使用されている。触媒(例えば、白金)は、高電位であっても一定の電位に保持されていれば触媒表面は安定しており、触媒の電解質膜への溶出はわずかである。ところが、酸化・還元を伴うような負荷サイクルの発生時となると、触媒の電位が変動することから、触媒の溶出は著しくなる。触媒が溶出、劣化すると、燃料電池の発電性能や耐久性低下を引き起こす。   During operation of a fuel cell, a phenomenon (duty cycle) in which the output voltage (operating voltage) of the fuel cell varies periodically or aperiodically usually occurs due to fluctuations in the power supplied to the loader. Occurrence of the duty cycle frequently repeats oxidation and reduction reactions of the catalyst constituting the catalyst layer. In general, in view of power generation performance, platinum is mainly used for the catalyst layer. If the catalyst (for example, platinum) is kept at a constant potential even at a high potential, the catalyst surface is stable, and the elution of the catalyst to the electrolyte membrane is slight. However, when a duty cycle involving oxidation / reduction occurs, the potential of the catalyst fluctuates, and the elution of the catalyst becomes significant. When the catalyst elutes and deteriorates, the power generation performance and durability of the fuel cell are reduced.

また、上述したように、燃料電池では、アノード側に水素を含む燃料ガスが、また、カソード側に酸素を含むガスが、それぞれのガス拡散層を介して供給される。ここで、上記ガスは、通常、水素または酸素に加えて、様々な有機物、無機物、イオン等の不純物を含む。このため、上記ガスを燃料電池に供給する際に、これらの不純物が外部からMEA(特に触媒層)内に混入して、各触媒層内での電池反応を阻害して、燃料電池の発電性能や耐久性低下を引き起こす。   Further, as described above, in the fuel cell, the fuel gas containing hydrogen on the anode side and the gas containing oxygen on the cathode side are supplied via the respective gas diffusion layers. Here, the gas usually contains impurities such as various organic substances, inorganic substances and ions in addition to hydrogen or oxygen. For this reason, when the gas is supplied to the fuel cell, these impurities are mixed into the MEA (especially the catalyst layer) from the outside to inhibit the cell reaction in each catalyst layer, and the power generation performance of the fuel cell. And cause a decrease in durability.

しかし、上述したように、電池反応は、触媒層において進行するため、触媒層の劣化や触媒層内への不純物の混入を抑制・防止することは、燃料電池の耐久性や発電性能の点で非常に重要である。このため、触媒の劣化や不純物の混入を抑制する技術の開発が強く望まれている。   However, as described above, since the cell reaction proceeds in the catalyst layer, suppressing or preventing the deterioration of the catalyst layer or the mixing of impurities into the catalyst layer is in terms of the durability and power generation performance of the fuel cell. Very important. For this reason, development of the technique which suppresses deterioration of a catalyst and mixing of an impurity is strongly desired.

本発明は、炭化水素電解質を含む不純物トラップ部材を、触媒層内または触媒層とガス拡散層との間に配置し、また、カソード触媒層およびアノード触媒層は、フッ素系電解質を含むことを特徴とする。ここで、不純物トラップ部材を触媒層内に配置すると、負荷サイクルの発生下で触媒層中で溶出した触媒を不純物トラップ部材でトラップすることができる。このため、このような配置により、触媒金属がイオン化しての電解質膜への溶出する事も有効に抑制・防止できる。また、不純物トラップ部材が触媒層内に存在する場合には、トラップされた触媒は触媒層中に保持されることになるため、イオン化して溶出してきた触媒は触媒層中で触媒として再利用されうる。   The present invention is characterized in that an impurity trap member including a hydrocarbon electrolyte is disposed in the catalyst layer or between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include a fluorine-based electrolyte. And Here, when the impurity trap member is disposed in the catalyst layer, the catalyst eluted in the catalyst layer under the generation of the duty cycle can be trapped by the impurity trap member. For this reason, with such an arrangement, it is possible to effectively suppress and prevent the catalytic metal from being ionized and eluted into the electrolyte membrane. In addition, when an impurity trap member is present in the catalyst layer, the trapped catalyst is retained in the catalyst layer, so that the ionized and eluted catalyst is reused as a catalyst in the catalyst layer. sell.

一方、不純物トラップ部材を触媒層とガス拡散層との間に配置すると、ガス拡散層側から混入する有機物、無機物、イオン等のコンタミ(不純物)を当該不純物トラップ部材にトラップすることができる。このような配置により、触媒層内への上記不純物の混入を有効に抑制・防止できる。上記に加えて、カソード触媒層およびアノード触媒層は、フッ素系電解質を含む。このようなプロトン伝導性、耐熱性、化学的安定性に優れる触媒層を用いることにより、本発明のMEAは高い発電性能を発揮できる。   On the other hand, when the impurity trap member is disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer, contaminants (impurities) such as organic substances, inorganic substances, and ions mixed from the gas diffusion layer side can be trapped in the impurity trap member. With such an arrangement, it is possible to effectively suppress and prevent the impurities from being mixed into the catalyst layer. In addition to the above, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include a fluorine-based electrolyte. By using such a catalyst layer having excellent proton conductivity, heat resistance, and chemical stability, the MEA of the present invention can exhibit high power generation performance.

すなわち、本発明によると、負荷サイクルの発生下であっても、触媒の電解質膜への溶出を抑制・防止できると同時に、触媒層で溶出した触媒を触媒層中で有効活用できる。また、ガス拡散層側から混入する有機物、無機物、イオン等の不純物の触媒層への混入を抑制・防止できる。ゆえに、本発明に係る触媒層は、長期間高い触媒活性を維持できる。したがって、本発明のMEAおよび当該MEAを用いてなる燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。   That is, according to the present invention, the elution of the catalyst to the electrolyte membrane can be suppressed / prevented even at the occurrence of a duty cycle, and at the same time, the catalyst eluted in the catalyst layer can be effectively utilized in the catalyst layer. In addition, it is possible to suppress / prevent contamination of impurities such as organic substances, inorganic substances, and ions mixed from the gas diffusion layer side into the catalyst layer. Therefore, the catalyst layer according to the present invention can maintain high catalytic activity for a long period of time. Therefore, the MEA of the present invention and the fuel cell using the MEA are excellent in durability and can exhibit high power generation performance.

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下では、「炭化水素電解質(炭化水素系電解質)」を単に「HC系電解質」とも称する。同様にして、「フッ素電解質(フッ素系電解質)」を単に「F系電解質」とも称する。   Embodiments of the present invention will be described below. Hereinafter, “hydrocarbon electrolyte (hydrocarbon electrolyte)” is also simply referred to as “HC electrolyte”. Similarly, “fluorine electrolyte (fluorine electrolyte)” is also simply referred to as “F electrolyte”.

本発明のMEAは、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。このため、本発明のMEAは、燃料電池に特に好適に使用される。   The MEA of the present invention is excellent in durability and can exhibit high power generation performance. For this reason, the MEA of the present invention is particularly preferably used for a fuel cell.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明のMEAの一実施形態、並びにこれを使用した燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明した場合では、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。   Hereinafter, an embodiment of the MEA of the present invention and an embodiment of a fuel cell using the same will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited only to the following embodiments. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one. Further, in the case where the embodiment of the present invention is described with reference to the drawings, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, and redundant description is omitted.

[燃料電池]
本発明の燃料電池は、本発明のMEAと、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。本発明の燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。
[Fuel cell]
The fuel cell of the present invention comprises the MEA of the present invention and a pair of separators comprising an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. Have. The fuel cell of the present invention is excellent in durability and can exhibit high power generation performance.

図1は、本発明の燃料電池の一実施形態である、固体高分子形燃料電池(PEFC)の一般的な全体構造を模式的に表した断面外略図である。なお、図1には固体高分子形燃料電池の単セルが図示されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) which is an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 1 shows a single cell of a polymer electrolyte fuel cell.

図1に示す固体高分子形燃料電池200は、本発明のMEA100を有する。そして、固体高分子形燃料電池200において、MEA100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1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、1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. 1 has the MEA 100 of the present invention. In the polymer electrolyte fuel cell 200, the MEA 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MEAを有する燃料電池は、優れた耐久性および発電性能を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質形燃料電池を例に挙げて説明したが、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る。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The fuel cell having the MEA of the present invention as described above exhibits excellent durability and power generation performance. Here, the type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. However, in addition to the above, an alkaline fuel cell and a direct methanol fuel cell are used. And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for automobile applications in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。   The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized. For this reason, the fuel cell of this invention is especially advantageous when this fuel cell is applied to a vehicle from the point of in-vehicle property.

特に、前記高分子電解質形燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。   In particular, the polymer electrolyte fuel cell is useful as a power source for a mobile body such as an automobile in which a mounting space is limited in addition to a stationary power source. Among them, it is particularly preferable to use as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long time of operation stop.

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

[電解質膜−電極接合体]
図2は、本発明の電解質膜−電極接合体の一般的な全体構造を模式的に表した断面概略図である。図2に示すように、本発明の電解質膜−電極接合体100は、アノード触媒層120aおよびカソード触媒層120cが、固体高分子電解質膜110の両面に対向して配置されている。そして、これを一対のアノード側ガス拡散層140aおよびカソード側ガス拡散層140cが挟持してなる。
[Electrolyte membrane-electrode assembly]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention. As shown in FIG. 2, in the electrolyte membrane-electrode assembly 100 of the present invention, the anode catalyst layer 120 a and the cathode catalyst layer 120 c are arranged to face both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 110. A pair of anode side gas diffusion layer 140a and cathode side gas diffusion layer 140c is sandwiched therebetween.

本発明では、不純物トラップ部材が、(i)カソード触媒層120cおよびカソード側ガス拡散層140cとの間に、(ii)アノード触媒層120aとアノード側ガス拡散層140aとの間に、(iii)カソード触媒層120c内に、または(iv)アノード触媒層120a内に、配置される。本発明のMEAは、上記(i)〜(iv)の少なくとも一を満足すればよい。触媒のイオン化しやすさ(ゆえに、溶出・析出の問題)、GDL側からの不純物混入時の影響などを考慮すると、少なくともカソード触媒層側に不純物トラップ部材を配置する、即ち(i)または(iii)の配置形態が好ましい。これにより高電位となるカソード触媒層での触媒の溶出・析出を効果的に抑制・防止でき、また、不純物混入時の影響が少ない。ただし、本発明に係るMEAは、アノード触媒層側のみが上記(ii)や(iv)の配置構造を有するものであってもよいし、カソード触媒層及びアノード触媒層双方が上記(i)〜(iv)のいずれかの配置構造を適宜組み合わせて有するものであってもよい。   In the present invention, the impurity trapping member is (i) between the cathode catalyst layer 120c and the cathode side gas diffusion layer 140c, (ii) between the anode catalyst layer 120a and the anode side gas diffusion layer 140a, (iii) It is disposed in the cathode catalyst layer 120c or (iv) in the anode catalyst layer 120a. The MEA of the present invention only needs to satisfy at least one of the above (i) to (iv). Considering the ease of ionization of the catalyst (hence, elution / precipitation problems), the influence of impurities mixed from the GDL side, etc., an impurity trap member is disposed at least on the cathode catalyst layer side, that is, (i) or (iii) ) Is preferable. As a result, the elution / precipitation of the catalyst in the cathode catalyst layer at a high potential can be effectively suppressed / prevented, and the influence when impurities are mixed is small. However, in the MEA according to the present invention, only the anode catalyst layer side may have the above arrangement structure (ii) or (iv), and both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may have the above (i) to (i) It may have any combination of the arrangement structures of (iv).

ここで、不純物トラップ部材の配置形態は、上記(i)〜(iv)のいずれかを満たしていれば特に制限されない。例えば、不純物トラップ部材が、層状態で、触媒層とGDLとの間あるいは触媒層内に存在してもよい。あるいは、複数の不純物トラップ部材が、触媒層とGDLとの間あるいは触媒層内に分散して存在してもよい。即ち、本発明に係る不純物トラップ部材は、面方向に沿って広がる単一の層の形態でまたは分散した形態で、配置されることが好ましい。   Here, the arrangement form of the impurity trap member is not particularly limited as long as any one of the above (i) to (iv) is satisfied. For example, the impurity trap member may exist in a layer state between the catalyst layer and the GDL or in the catalyst layer. Alternatively, a plurality of impurity trap members may be present between the catalyst layer and the GDL or dispersed in the catalyst layer. That is, the impurity trapping member according to the present invention is preferably arranged in the form of a single layer extending along the surface direction or in a dispersed form.

このうち、不純物トラップ部材が面方向に沿って広がる単一の層の形態で配置される場合には、上記(i)〜(iv)で適用される。例えば、上記(i)、(ii)の場合では、図3Aに示されるように、不純物トラップ部材150が触媒層120とガス拡散層140との間に配置される。このような配置によると、ガス拡散層側から混入する有機物、無機物、イオン等の不純物を不純物トラップ部材15でトラップすることができる。このため、このような配置により、外部からMEA内に混入する不純物の量を低減し、上記触媒層に悪影響を与える不純物の触媒層内への混入を有効に抑制・防止できる。また、上記(iii)、(iv)の場合では、図3Bに示されるように、不純物トラップ部材150が触媒層120内に配置される。このような配置によると、触媒が負荷サイクルの発生下で触媒層中で溶出しても、不純物トラップ部材でトラップすることができる。また、イオンは、炭化水素内では移動が妨げられる。ここで、不純物トラップ部材150はHC系電解質を含むので、溶出した触媒(特に、白金イオン)は不純物トラップ部材中に効率よく保持される。このため、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制・防止できる。また、当該形態によると、トラップされた触媒は触媒層中に保持されることになる。このため、溶出してきた触媒は触媒層中で触媒として再利用できる。   Among these, in the case where the impurity trap member is arranged in the form of a single layer extending along the surface direction, it is applied in the above (i) to (iv). For example, in the cases (i) and (ii) above, as shown in FIG. 3A, the impurity trap member 150 is disposed between the catalyst layer 120 and the gas diffusion layer 140. According to such an arrangement, impurities such as organic substances, inorganic substances, and ions mixed from the gas diffusion layer side can be trapped by the impurity trap member 15. For this reason, with such an arrangement, the amount of impurities mixed into the MEA from the outside can be reduced, and mixing of impurities that adversely affect the catalyst layer into the catalyst layer can be effectively suppressed / prevented. In the cases (iii) and (iv), the impurity trap member 150 is disposed in the catalyst layer 120 as shown in FIG. 3B. According to such an arrangement, even if the catalyst elutes in the catalyst layer under the occurrence of a duty cycle, it can be trapped by the impurity trap member. Also, ions are prevented from moving in the hydrocarbon. Here, since the impurity trap member 150 contains the HC electrolyte, the eluted catalyst (particularly, platinum ions) is efficiently held in the impurity trap member. For this reason, elution and precipitation (particularly, Pt band formation) of the catalyst in the electrolyte membrane can be suppressed / prevented. Moreover, according to the said form, the trapped catalyst is hold | maintained in a catalyst layer. For this reason, the eluted catalyst can be reused as a catalyst in the catalyst layer.

また、不純物トラップ部材が分散した形態で配置される場合の、不純物トラップ部材の分散形態は特に制限されない。具体的には、図4Aに示されるように、不純物トラップ部材が、触媒層内厚み方向に伸びた形態で分散して配置される形態;図4Bに示されるように、不純物トラップ部材が、触媒層面方向に伸びた形態で平板状に分散して配置される形態;図4Cに示されるように、不純物トラップ部材が、塊状に分散して配置される形態などが挙げられる。このうち、図4A〜Cの場合には、不純物トラップ部材は、負荷サイクルの発生下で触媒層中で溶出した触媒をトラップし、また、GDLからのガスの流れを妨げることは少ない。このため、当該形態によると、ガス透過性を維持したまま、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制・防止できる。   Further, the dispersion form of the impurity trap member when the impurity trap member is arranged in a dispersed form is not particularly limited. Specifically, as shown in FIG. 4A, the impurity trap member is dispersed and arranged in a form extending in the thickness direction in the catalyst layer; as shown in FIG. 4B, the impurity trap member is a catalyst. Examples include a form in which the impurity trap members are dispersed and arranged in a lump form as shown in FIG. 4C, and the like. Among these, in the case of FIGS. 4A to 4C, the impurity trap member traps the catalyst eluted in the catalyst layer under the occurrence of the duty cycle and hardly disturbs the gas flow from the GDL. For this reason, according to the said form, the elution and precipitation (especially Pt band formation) of the catalyst in electrolyte membrane can be suppressed and prevented, maintaining gas permeability.

すなわち、本発明に係る不純物トラップ部材は、(a)触媒層およびガス拡散層との間に、電解質膜の面方向に沿って広がる単一の層の形態で、配置される;(b)触媒層内に、電解質膜の面方向に沿って広がる単一の層の形態で、配置される;(c)触媒層内に、厚み方向に伸びた形態で分散して、配置される;または(d)触媒層内に、塊状または平板状に分散して、配置される、ことが好ましい。上記(a)〜(d)は、それぞれの単独の形態であっても、あるいは2種以上が適宜組み合わされてもよい。   That is, the impurity trap member according to the present invention is disposed in the form of a single layer extending along the surface direction of the electrolyte membrane between (a) the catalyst layer and the gas diffusion layer; (b) the catalyst Arranged in the form of a single layer extending along the surface direction of the electrolyte membrane in the layer; (c) arranged in a dispersed manner in the thickness direction in the catalyst layer; or ( d) It is preferable to disperse and arrange in a block shape or a flat plate shape in the catalyst layer. Said (a)-(d) may be each independent form, or 2 or more types may be combined suitably.

また、本発明に係る不純物トラップ部材の形成方法は、特に制限されず、不純物トラップ部材の配置形態によって適宜選択される。例えば、上記(a)の場合には、HC系電解質を含むインクを、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法により、触媒層もしくはガス拡散層上に直接的にまたは転写用台紙上に間接的に塗布して、作製する方法が望ましい。また、上記(b)の場合には、触媒層、不純物トラップ部材(層)及び触媒層を、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法により、順次作製することが望ましい。なお、不純物トラップ部材(層)は、一層のみが触媒層間に形成されてもあるいは2層以上が触媒層間に形成されてもよい。また、上記(c)の場合には、不純物トラップ部材を配置したい場所に当該部材と同形状の板を置いて、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法により、触媒層を形成する。次に、当該板を外し、HC系電解質を含むインクを当該板のあった空間に注入して、不純物トラップ部材を形成する方法が好ましい。さらに、上記(d)の場合には、不純物トラップ部材を所定の形状(塊状または平板状)に成形する。これを触媒インクと混合して、触媒層を形成する方法が使用できる。または、HC系電解質を含むインクを、触媒と攪拌・混合した後、F系電解質を攪拌・混合する。この混合物を、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法により、上記(d)の構造の触媒層を形成する。ここで、HC系電解質を含むインクを、触媒と攪拌・混合することにより、HC系電解質で被覆されてなる触媒が得られる。次に、このHC系電解質で被覆されてなる触媒を、F系電解質と攪拌・混合することにより、HC系電解質被覆層がさらにF系電解質で被覆されてなる触媒が得られる。このような構造を有することにより、負荷サイクルの発生下での触媒の溶出がHC系電解質被覆層により有効に抑制・防止できる。   Further, the method for forming the impurity trap member according to the present invention is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the arrangement form of the impurity trap member. For example, in the case of the above (a), the ink containing the HC electrolyte is directly applied on the catalyst layer or the gas diffusion layer by a known method such as a direct application method (for example, a spray method) or a transfer method, or It is desirable to produce the substrate by applying it indirectly on a transfer mount. In the case of (b), it is desirable that the catalyst layer, the impurity trap member (layer), and the catalyst layer are sequentially produced by a known method such as a direct coating method (for example, spray method) or a transfer method. . Note that only one impurity trap member (layer) may be formed between the catalyst layers, or two or more layers may be formed between the catalyst layers. In the case of the above (c), a plate having the same shape as the member is placed where the impurity trap member is to be placed, and the catalyst is obtained by a known method such as a direct coating method (for example, spray method) or a transfer method. Form a layer. Next, a method of removing the plate and injecting an ink containing an HC electrolyte into the space where the plate is present to form an impurity trap member is preferable. Furthermore, in the case of the above (d), the impurity trap member is formed into a predetermined shape (block shape or flat plate shape). A method of mixing this with a catalyst ink to form a catalyst layer can be used. Alternatively, the ink containing the HC electrolyte is stirred and mixed with the catalyst, and then the F electrolyte is stirred and mixed. The catalyst layer having the structure (d) is formed from this mixture by a known method such as a direct coating method (for example, spray method) or a transfer method. Here, a catalyst coated with the HC electrolyte is obtained by stirring and mixing the ink containing the HC electrolyte with the catalyst. Next, the catalyst coated with the HC electrolyte is stirred and mixed with the F electrolyte to obtain a catalyst in which the HC electrolyte coating layer is further coated with the F electrolyte. By having such a structure, the elution of the catalyst under the occurrence of the duty cycle can be effectively suppressed / prevented by the HC electrolyte coating layer.

なお、上記したように、本発明は、上記(i)〜(iv)のいずれかの構造を有するものであり、当該構造を有する場合の各触媒層の説明は同様である。このため、以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層およびアノード触媒層を、一括して「触媒層」と、称する。同様にして、HC系電解質を含む不純物トラップ部材を、単に「不純物トラップ部材」と、及びF系電解質を含む触媒層を、単に「触媒層」と、それぞれ、称する。また、本明細書において、「不純物トラップ部材」は、HC系電解質を必須に含み、必要であれば電極触媒を含んでもよい。また、「触媒層」は、電極触媒およびF系電解質を必須に含む。この電極触媒は、導電性担体上に触媒成分が担持してなる。   In addition, as above-mentioned, this invention has a structure in any one of said (i)-(iv), and description of each catalyst layer in the case of having the said structure is the same. Therefore, in the following description, unless otherwise specified, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are collectively referred to as “catalyst layer”. Similarly, the impurity trap member containing the HC-based electrolyte is simply referred to as “impurity trap member”, and the catalyst layer including the F-based electrolyte is simply referred to as “catalyst layer”. Further, in this specification, the “impurity trap member” essentially includes an HC electrolyte, and may include an electrode catalyst if necessary. Further, the “catalyst layer” essentially includes an electrode catalyst and an F-based electrolyte. This electrode catalyst is formed by supporting a catalyst component on a conductive carrier.

本発明では、上記(i)〜(iv)に加えて、電解質膜上に、さらに不純物トラップ部材を配置してもよい。当該形態によると、溶出した触媒は、電解質膜直前でトラップされる。このため、本発明のMEAでは、触媒の電解質膜への溶出が有効に抑制・防止できる。ゆえに、当該形態によると、負荷サイクルの発生下であっても、触媒の電解質膜への溶出を抑制・防止できる。ゆえに、当該形態に係る触媒層は、より長期間高い触媒活性を維持できる。したがって、本発明のMEAおよび当該MEAを用いてなる燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。不純物トラップ部材が電解質膜上に配置される際、当該不純物トラップ部材は、一層であってもあるいは2種以上を積層したものであってもよい。後者の場合、各不純物トラップ部材は、同一の部材であってもあるいは異なる部材(例えば、触媒を含む部材と触媒を含まない部材、HC系電解質を異なるものとした2種以上の部材)であってもよい。   In the present invention, in addition to the above (i) to (iv), an impurity trap member may be further disposed on the electrolyte membrane. According to this form, the eluted catalyst is trapped immediately before the electrolyte membrane. For this reason, in the MEA of the present invention, elution of the catalyst into the electrolyte membrane can be effectively suppressed / prevented. Therefore, according to the said form, even if it is under generation | occurrence | production of a duty cycle, the elution to the electrolyte membrane of a catalyst can be suppressed and prevented. Therefore, the catalyst layer according to the embodiment can maintain high catalytic activity for a longer period. Therefore, the MEA of the present invention and the fuel cell using the MEA are excellent in durability and can exhibit high power generation performance. When the impurity trap member is disposed on the electrolyte membrane, the impurity trap member may be a single layer or a laminate of two or more. In the latter case, each impurity trap member may be the same member or different members (for example, a member containing a catalyst, a member not containing a catalyst, and two or more members made of different HC electrolytes). May be.

本発明において、HC系電解質は、その存在形態は特に制限されず、不純物トラップ部材中に、均一にあるいは不均一に、のいずれの形態で存在していてもよい。好ましくは、不純物トラップ部材におけるHC系電解質濃度は、厚み方向に対して、段階的にまたは連続して変化する。ここで、HC系電解質濃度の変化のさせ方は、特に制限されず、電解質膜側またはGDL側のいずれかの側を徐々に高くする;電解質膜側またはGDL側のいずれかの側を徐々に低くする;不純物トラップ部材内のHC系電解質濃度を任意に変化させる;など、いずれの形態でもよい。例えば、不純物トラップ部材を触媒層およびGDLとの間に電解質膜の面方向に沿って広がる単一の層の形態で配置する[上記(a)]場合には、GDL側のHC系電解質濃度が、厚み方向に対して、触媒層側より高くなることが好ましい。これにより、外部からの不純物の混入を有効に抑制・防止できる。ここで、HC系電解質濃度は、段階的あるいは連続的に変化しうる。また、不純物トラップ部材において、HC系電解質濃度の勾配については特に制限されない。不純物の混入の抑制・防止効果などを考慮すると、HC系電解質濃度(wt%)の低い側(触媒層側)に対する高い側(GDL側)の割合が、好ましく1.5〜100倍、より好ましくは3〜20倍である。このような割合であれば、不純物トラップ部材で、外部からの不純物(有機物、無機物、イオン等)を十分トラップでき、当該触媒の電解質膜中への浸入を十分抑制・防止できる。また、HC系電解質濃度を段階的に変化させる場合の変化回数は、特に制限されない。例えば、HC系電解質濃度を2〜50回、より好ましくは2〜10回、変化させることが好ましい。   In the present invention, the existence form of the HC electrolyte is not particularly limited, and may be present in the impurity trap member uniformly or non-uniformly. Preferably, the HC electrolyte concentration in the impurity trap member changes stepwise or continuously in the thickness direction. Here, the method of changing the concentration of the HC-based electrolyte is not particularly limited, and either the electrolyte membrane side or the GDL side is gradually increased; either the electrolyte membrane side or the GDL side is gradually increased. Any form may be used, such as lowering the HC-based electrolyte concentration in the impurity trap member. For example, when the impurity trap member is arranged in the form of a single layer extending along the surface direction of the electrolyte membrane between the catalyst layer and the GDL [above (a)], the HC-based electrolyte concentration on the GDL side is The thickness is preferably higher than the catalyst layer side in the thickness direction. Thereby, mixing of impurities from the outside can be effectively suppressed / prevented. Here, the HC electrolyte concentration can change stepwise or continuously. In the impurity trap member, the gradient of the HC electrolyte concentration is not particularly limited. Considering the effect of suppressing / preventing impurity contamination, the ratio of the high side (GDL side) to the low side (catalyst layer side) of the HC-based electrolyte concentration (wt%) is preferably 1.5 to 100 times, more preferably Is 3 to 20 times. With such a ratio, the impurity trap member can sufficiently trap external impurities (organic matter, inorganic matter, ions, etc.), and the penetration of the catalyst into the electrolyte membrane can be sufficiently suppressed and prevented. In addition, the number of changes when the HC electrolyte concentration is changed in stages is not particularly limited. For example, it is preferable to change the HC electrolyte concentration 2 to 50 times, more preferably 2 to 10 times.

また、不純物トラップ部材を触媒層内に配置する[上記(b)〜(d)]場合には、電解質膜側のHC系電解質濃度が、厚み方向に対して、GDL側より高くなることが好ましい。このように電解質膜側でのHC系電解質濃度を高くすることによって、膜直前で溶出した触媒をより確実にトラップして、膜への触媒溶出をより効率的に抑制・防止できる。また、このような構造により、触媒溶出の程度によって、溶出した触媒をトラップするHC系電解質濃度を適切に調節できる。上記構造により、負荷サイクルにより触媒層で溶出した触媒(特に、貴イオン)を不純物トラップ部材でより効率よくトラップすることができる。また、ここでトラップされた触媒は、不純物トラップ部材内での移動をより妨げることができる。ゆえに、当該形態によれば、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制・防止しつつ、不純物トラップ部材内で再び触媒として有効に活用することができる。ここで、HC系電解質濃度は、段階的あるいは連続的に変化しうる。また、不純物トラップ部材において、HC系電解質濃度の勾配については特に制限されない。不純物の混入の抑制・防止効果や溶出した触媒のトラップ性(イオン遮断性)などを考慮すると、HC系電解質濃度(wt%)の低い側(GDL側)に対する高い側(電解質膜側)の割合が、好ましくは1.5〜100倍、より好ましくは3〜20倍である。このような割合であれば、不純物トラップ部材で、溶出した触媒(特に貴イオン)を十分トラップでき、当該触媒の電解質膜中への浸入を十分抑制・防止できる。また、HC系電解質濃度を段階的に変化させる場合の変化回数は、特に制限されない。例えば、HC系電解質濃度を2〜50回、より好ましくは2〜10回、変化させることが好ましい。   Further, when the impurity trap member is disposed in the catalyst layer [above (b) to (d)], the HC electrolyte concentration on the electrolyte membrane side is preferably higher than that on the GDL side in the thickness direction. . Thus, by increasing the concentration of the HC electrolyte on the electrolyte membrane side, the catalyst eluted just before the membrane can be trapped more reliably, and the catalyst elution to the membrane can be more efficiently suppressed / prevented. Also, with such a structure, the concentration of the HC electrolyte that traps the eluted catalyst can be appropriately adjusted according to the degree of catalyst elution. With the above structure, the catalyst (particularly noble ions) eluted from the catalyst layer by the duty cycle can be trapped more efficiently by the impurity trap member. Moreover, the catalyst trapped here can prevent the movement in the impurity trap member more. Therefore, according to this embodiment, the catalyst can be effectively utilized again as a catalyst in the impurity trap member while suppressing / preventing the elution / precipitation (particularly, Pt band formation) of the catalyst in the electrolyte membrane. Here, the HC electrolyte concentration can change stepwise or continuously. In the impurity trap member, the gradient of the HC electrolyte concentration is not particularly limited. Considering the effect of suppressing / preventing contamination of impurities and the trapping property (ion blocking property) of the eluted catalyst, the ratio of the high side (electrolyte membrane side) to the low side (GDL side) of the HC electrolyte concentration (wt%) However, it is preferably 1.5 to 100 times, more preferably 3 to 20 times. With such a ratio, the eluted catalyst (particularly noble ions) can be sufficiently trapped by the impurity trap member, and the penetration of the catalyst into the electrolyte membrane can be sufficiently suppressed and prevented. In addition, the number of changes when the HC electrolyte concentration is changed in stages is not particularly limited. For example, it is preferable to change the HC electrolyte concentration 2 to 50 times, more preferably 2 to 10 times.

このようにHC系電解質濃度が異なる不純物トラップ部材の形成方法は、特に制限されない。例えば、HC系電解質濃度が異なる電解質溶液を所定数調製して、所望の濃度勾配となるように、順次、これらの電解質溶液を用いて不純物トラップ部材を積層することによって達成できる。または、上記濃度の異なる電解質溶液を用いて、所定の形状(塊状または平板状)の不純物トラップ部材を成形し、これを、触媒層中に所望の濃度勾配となるように配置することによっても、達成できる。ここで、イオン遮断性は、電解質溶液中のHC系電解質濃度を変化させることで制御可能であり、異なるイオン遮断性の触媒層を重ね塗りする事でイオン遮断性を段階的に変化させることが可能である。このようにイオン遮断性に変化をつけることで、外部からの不純物や負荷サイクルにより触媒層で溶出した触媒(特に、貴イオン)を不純物トラップ部材で効率よくトラップすることができる。また、ここでトラップされた不純物や触媒は、不純物トラップ部材内での移動が妨げられる。特に触媒のトラップにより、不純物トラップ部材内で再び触媒として有効に活用でき、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制でき、触媒(特に白金)溶出耐性と高発電性を両立できる。   Thus, the formation method of the impurity trap member from which HC system electrolyte concentration differs is not specifically limited. For example, it can be achieved by preparing a predetermined number of electrolyte solutions having different HC-based electrolyte concentrations and sequentially laminating impurity trap members using these electrolyte solutions so as to obtain a desired concentration gradient. Alternatively, by using the electrolyte solutions having different concentrations, an impurity trap member having a predetermined shape (bulk shape or flat plate shape) is formed, and this is arranged so as to have a desired concentration gradient in the catalyst layer. Can be achieved. Here, the ion blocking property can be controlled by changing the concentration of the HC electrolyte in the electrolyte solution, and the ion blocking property can be changed in stages by repeatedly applying different ion blocking catalyst layers. Is possible. By changing the ion blocking property in this way, impurities (especially noble ions) eluted from the catalyst layer due to external impurities and duty cycles can be efficiently trapped by the impurity trap member. Further, the impurities and catalyst trapped here are prevented from moving within the impurity trap member. Especially by trapping the catalyst, it can be effectively used again as a catalyst in the impurity trap member, and the elution / precipitation of the catalyst (especially, Pt band formation) in the electrolyte membrane can be suppressed, and the elution resistance of the catalyst (especially platinum) and high power generation Both sexes can be achieved.

本発明において、触媒層は、電極触媒およびF系電解質を必須に含む。この電極触媒は、導電性担体上に触媒成分が担持してなる。ここで、F系電解質もまた、その存在形態は特に制限されず、触媒層中に、均一にあるいは不均一に、のいずれの形態で存在していてもよい。また、不均一に存在する場合には、触媒層におけるF系電解質濃度は、厚み方向に対して、段階的にまたは連続して変化してもよい。また、その変化のさせ方も、特に制限されず、電解質膜側または触媒層側のいずれかの側を徐々に高くする;各触媒層内のF系電解質濃度を任意に変化させる;など、いずれの形態でもよい。F系電解質濃度が異なる触媒層の形成方法は、特に制限されない。例えば、F系電解質濃度が異なる触媒インクを所定数調製して、所望の濃度勾配となるように、順次、これらの触媒インクを用いて触媒層を積層することによって達成できる。   In the present invention, the catalyst layer essentially includes an electrode catalyst and an F-based electrolyte. This electrode catalyst is formed by supporting a catalyst component on a conductive carrier. Here, the presence state of the F-based electrolyte is not particularly limited, and may be present in the catalyst layer either uniformly or non-uniformly. Moreover, when it exists nonuniformly, the F type electrolyte density | concentration in a catalyst layer may change in steps or continuously with respect to the thickness direction. Further, the method of changing is not particularly limited, and either the electrolyte membrane side or the catalyst layer side is gradually increased; the F-based electrolyte concentration in each catalyst layer is arbitrarily changed; It may be a form. The method for forming the catalyst layers having different F-based electrolyte concentrations is not particularly limited. For example, it can be achieved by preparing a predetermined number of catalyst inks having different F-based electrolyte concentrations and sequentially laminating catalyst layers using these catalyst inks so as to obtain a desired concentration gradient.

本発明において、不純物トラップ部材と触媒層との体積比は、外部から混入した不純物や触媒層で溶出した触媒(特に、貴イオン)を不純物トラップ部材で効率よくトラップすることができる割合であれば特に制限されない。なお、本明細書において、「不純物トラップ部材と触媒層との体積比」は、不純物トラップ部材に対する前記触媒層の体積比、即ち、触媒層の体積/不純物トラップ部材の体積の比を意味する。好ましくは、不純物トラップ部材に対する前記触媒層の体積比は、0.01〜10であり、2〜5がより好ましい。このような範囲であれば、触媒層で溶出した触媒(特に、貴イオン)を不純物トラップ部材で効率よくトラップすることができ、かつ溶出してきた触媒を不純物トラップ部材内で再び有効活用することができる。   In the present invention, the volume ratio between the impurity trap member and the catalyst layer is such that the impurities trapped from the outside and the catalyst (particularly noble ions) eluted from the catalyst layer can be efficiently trapped by the impurity trap member. There is no particular limitation. In the present specification, the “volume ratio of the impurity trap member to the catalyst layer” means the volume ratio of the catalyst layer to the impurity trap member, that is, the ratio of the volume of the catalyst layer to the volume of the impurity trap member. Preferably, the volume ratio of the catalyst layer to the impurity trap member is 0.01 to 10, more preferably 2 to 5. Within such a range, the catalyst (especially noble ions) eluted in the catalyst layer can be efficiently trapped by the impurity trap member, and the eluted catalyst can be effectively used again in the impurity trap member. it can.

本発明において、不純物トラップ部材及び触媒層間の界面の状態は、特に制限されない。例えば、(1)不純物トラップ部材及び触媒層の界面が明確に分割して形成される形態;(2)不純物トラップ部材及び触媒層の界面が明確でなく、不純物トラップ部材及び触媒層間に、HC系電解質及びF系電解質が混合した各電解質濃度が傾斜した中間層が存在する形態などがある。   In the present invention, the state of the interface between the impurity trap member and the catalyst layer is not particularly limited. For example, (1) a form in which the interface between the impurity trap member and the catalyst layer is clearly divided and formed; (2) the interface between the impurity trap member and the catalyst layer is not clear, and the HC system is formed between the impurity trap member and the catalyst layer. There is a form in which an intermediate layer in which the concentration of each electrolyte mixed with the electrolyte and the F-based electrolyte is inclined exists.

上記(1)の形態によると、MEA厚み(断面)方向において、界面を境に、イオン遮断性が明確に異なる。また、上記(1)の形態は、いずれの方法によって得られてもよいが、例えば、GDL上に、まず、不純物トラップ部材を形成した後、触媒層を形成することによって、達成しうる。または、転写用台紙上に触媒層を形成した後、不純物トラップ部材を形成することによっても、達成しうる。この際、不純物トラップ部材及び触媒層の形成方法は特に制限されないが、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法により段階的に作製することが望ましい。このようにイオン遮断性に変化を明確につけることで、外部から混入した不純物や負荷サイクルにより触媒層で溶出した触媒(特に、貴イオン)を不純物トラップ部材で効率よくトラップすることができる。また、ここでトラップされた不純物や触媒は、不純物トラップ部材内での移動が妨げられる。当該形態によれば、溶出した触媒は、不純物トラップ部材内で再び触媒として有効に活用でき、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制できる。すなわち、当該形態(1)によると、触媒(特に白金)溶出耐性と高発電性を両立できる。   According to the form of (1) above, in the MEA thickness (cross-section) direction, the ion barrier property is clearly different at the interface. Moreover, although the form of said (1) may be obtained by any methods, for example, after forming an impurity trap member on GDL first, it can achieve by forming a catalyst layer. Alternatively, it can also be achieved by forming an impurity trap member after forming a catalyst layer on a transfer mount. At this time, the method for forming the impurity trapping member and the catalyst layer is not particularly limited, but it is desirable that the impurity trapping member and the catalyst layer be produced stepwise by a known method such as a direct coating method (for example, spray method) or a transfer method. By clearly changing the ion blocking property in this way, impurities mixed from the outside and catalyst (particularly noble ions) eluted from the catalyst layer by the duty cycle can be efficiently trapped by the impurity trap member. Further, the impurities and catalyst trapped here are prevented from moving within the impurity trap member. According to this embodiment, the eluted catalyst can be effectively used again as a catalyst in the impurity trap member, and elution / precipitation (particularly, Pt band formation) of the catalyst in the electrolyte membrane can be suppressed. That is, according to the said form (1), a catalyst (especially platinum) elution tolerance and high power generation property can be made compatible.

また、上記(2)の形態によると、例えば、イオン遮断性を厚み方向で勾配をつけて変化させることによって、不純物の外部からの混入や触媒の溶出・析出を分散させることができる。後者の場合には、触媒の溶出・析出とトラップが中間層で同時に起こりうる。トラップされた触媒(特にPtイオン)は、不純物トラップ部材に加えて、中間層内でも移動が妨げられる。このため、当該形態によれば、不純物トラップ部材および中間層内でも再び触媒として有効に活用でき、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制できる。また、上記(2)の形態は、いずれの方法によって得られてもよい。例えば、不純物トラップ部材形成用電解質インクを塗布した後、層を形成する(乾燥する)ことなくウェット オン ウェットの状態で、触媒層形成用触媒インクを塗布し、乾燥することによって、達成しうる[形態(2−1)]。不純物トラップ部材及び触媒層は、その形成方法は特に制限されないが、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法により段階的に作製することが望ましい。当該形態によると、イオン遮断性が連続的に変化(傾斜)するため、触媒層内で再び触媒として活用できる。また、HC系電解質でトラップされた触媒(特にPtイオン)は、不純物トラップ部材内での移動が妨げられる。このため、当該形態(2−1)によると、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制できる。また、外部からの不純物の混入を有効に抑制・防止できる。ここで、中間層中のHC系電解質及びF系電解質濃度は、特に制限されないが、上記と同様の濃度勾配となることが好ましい。これにより、外部からの有機物、無機物、イオン等の不純物の混入や膜への触媒の溶出・析出をより有効に抑制・防止でき、触媒(特に白金)溶出耐性と高発電性を両立できる。   Further, according to the form (2), for example, by changing the ion blocking property with a gradient in the thickness direction, it is possible to disperse impurities from the outside and elution / precipitation of the catalyst. In the latter case, elution / precipitation of the catalyst and trapping can occur simultaneously in the intermediate layer. The trapped catalyst (particularly Pt ions) is prevented from moving in the intermediate layer in addition to the impurity trapping member. For this reason, according to the said form, it can utilize effectively as a catalyst again also in an impurity trap member and an intermediate | middle layer, and the elution and precipitation (especially Pt band formation) of the catalyst in an electrolyte membrane can be suppressed. The form (2) may be obtained by any method. For example, it can be achieved by applying the catalyst ink for forming the catalyst layer and drying it in a wet-on-wet state without applying (drying) the layer after applying the electrolyte ink for forming the impurity trapping member [ Form (2-1)]. The formation method of the impurity trap member and the catalyst layer is not particularly limited, but it is desirable to produce the impurity trap member and the catalyst layer stepwise by a known method such as a direct coating method (for example, a spray method) or a transfer method. According to this embodiment, since the ion blocking property continuously changes (inclines), it can be used again as a catalyst in the catalyst layer. In addition, the catalyst (particularly Pt ions) trapped by the HC electrolyte is prevented from moving in the impurity trap member. For this reason, according to the said form (2-1), the elution and precipitation (especially Pt band formation) of the catalyst in an electrolyte membrane can be suppressed. In addition, it is possible to effectively suppress / prevent contamination from external impurities. Here, the concentrations of the HC-based electrolyte and the F-based electrolyte in the intermediate layer are not particularly limited, but preferably have a concentration gradient similar to the above. Thereby, mixing of impurities such as organic substances, inorganic substances and ions from the outside and elution / precipitation of the catalyst on the film can be more effectively suppressed / prevented, and both elution resistance of the catalyst (particularly platinum) and high power generation can be achieved.

または、上記(2)の形態は、不純物トラップ部材を形成し、HC系及びF系電解質を適当な割合で混合した触媒インクを塗布・乾燥して、中間層を形成した後、中間層上に触媒層を形成することでも、達成しうる[形態(2−2)]。ここで、不純物トラップ部材、触媒層及び中間層は、その形成方法は特に制限されないが、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法により段階的に作製することが望ましい。   Alternatively, in the form of (2), an impurity trap member is formed, and a catalyst ink in which HC and F electrolytes are mixed at an appropriate ratio is applied and dried to form an intermediate layer, and then formed on the intermediate layer. It can also be achieved by forming a catalyst layer [form (2-2)]. Here, the formation method of the impurity trap member, the catalyst layer, and the intermediate layer is not particularly limited, but it is desirable to produce the impurity trap member stepwise by a known method such as a direct application method (for example, a spray method) or a transfer method.

上記(1)及び(2)の形態において、イオン遮断性は、触媒インク中のHC系電解質濃度を変化させることで制御可能である。   In the forms (1) and (2) above, the ion blocking property can be controlled by changing the concentration of the HC electrolyte in the catalyst ink.

当該(2)の形態によると、イオン遮断性を段階的(多段的)に変化(傾斜)させることで、不純物の外部からの混入や白金の析出を分散させることができる。後者の場合には、HC系電解質でトラップされた触媒(特にPtイオン)は、不純物トラップ部材内での移動が妨げられる。このため、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制できる。当該形態(2−2)では、中間層は、不純物トラップ部材及び触媒層間に、1層のみが形成されてもあるいは2層以上が積層した状態で形成されてもよい。後者の場合には、各層中のHC系電解質及びF系電解質濃度は、特に制限されないが、厚み方向において、電解質膜側から触媒層側に向かって、HC系電解質濃度は段階的に低くなり、F系電解質濃度は段階的に高くなることが好ましい。このように電解質膜側のHC系電解質濃度を高くすることにより、膜への触媒の溶出・析出をより有効に抑制・防止でき、触媒(特に白金)溶出耐性と高発電性を両立できる。   According to the form of (2), it is possible to disperse impurities from the outside and precipitation of platinum by changing (inclining) the ion blocking property in a stepwise (multistage) manner. In the latter case, the catalyst (particularly Pt ions) trapped by the HC electrolyte is prevented from moving within the impurity trap member. For this reason, elution and precipitation (particularly, Pt band formation) of the catalyst in the electrolyte membrane can be suppressed. In the said form (2-2), an intermediate | middle layer may be formed in the state in which only one layer was formed between the impurity trap member and the catalyst layer, or two or more layers were laminated | stacked. In the latter case, the HC electrolyte concentration and the F electrolyte concentration in each layer are not particularly limited, but in the thickness direction, the HC electrolyte concentration gradually decreases from the electrolyte membrane side to the catalyst layer side, The F-based electrolyte concentration is preferably increased stepwise. Thus, by increasing the concentration of the HC-based electrolyte on the electrolyte membrane side, elution / precipitation of the catalyst on the membrane can be more effectively suppressed / prevented, and both the elution resistance of the catalyst (particularly platinum) and high power generation can be achieved.

また、触媒層中の触媒(電極触媒)濃度は、均一にあるいは不均一に、のいずれの形態で存在していてもよい。好ましくは、触媒(電極触媒)濃度は、厚み方向に対して、電解質膜側から段階的にまたは連続して増加する。ここで、触媒(電極触媒)濃度の変化のさせ方は、特に制限されない。例えば、不純物トラップ部材中の触媒濃度を低くし、触媒層中の触媒濃度を高くする;不純物トラップ部材中の触媒濃度を、厚み方向に対して、電解質膜側から段階的にまたは連続して増加させる;触媒層中の触媒濃度を、厚み方向に対して、電解質膜側から段階的にまたは連続して増加させる、などいずれの方法であってもよい。これらのうち、不純物トラップ部材中の触媒濃度を低くし、触媒層中の触媒濃度を高くすることが好ましい。なお、これらの形態は、単独で適用しても、あるいは適宜組み合わせて使用してもよい。また、具体的な触媒濃度の変化のさせ方は、特に制限されない。例えば、不純物トラップ部材中のHC系電解質の濃度の変化のさせ方が同様にして使用できる。このような構成によって、反応効率の良い触媒層(特に、触媒層側)に多くの触媒を配置できるため、高い反応効率のMEAが得られる。   Further, the catalyst (electrode catalyst) concentration in the catalyst layer may be present in any form of uniform or non-uniform. Preferably, the catalyst (electrode catalyst) concentration increases stepwise or continuously from the electrolyte membrane side in the thickness direction. Here, the method of changing the catalyst (electrode catalyst) concentration is not particularly limited. For example, the catalyst concentration in the impurity trap member is decreased and the catalyst concentration in the catalyst layer is increased; the catalyst concentration in the impurity trap member is increased stepwise or continuously from the electrolyte membrane side in the thickness direction. Any method may be used, such as increasing the catalyst concentration in the catalyst layer stepwise or continuously from the electrolyte membrane side in the thickness direction. Of these, it is preferable to lower the catalyst concentration in the impurity trap member and increase the catalyst concentration in the catalyst layer. These forms may be applied singly or in appropriate combination. In addition, a specific method for changing the catalyst concentration is not particularly limited. For example, the method of changing the concentration of the HC electrolyte in the impurity trap member can be used in the same manner. With such a configuration, a large number of catalysts can be arranged on the catalyst layer (especially on the catalyst layer side) with good reaction efficiency, so that an MEA with high reaction efficiency is obtained.

ここで、触媒層において、触媒(電極触媒)濃度が、厚み方向に対して、厚み方向に対して、電解質膜側から段階的にまたは連続して増加する場合の、濃度勾配については特に制限されない。反応効率、ゆえに発電性能などを考慮すると、電解質膜側に対するでガス拡散層に隣接する触媒層側の触媒濃度(wt%)の割合が、好ましくは1.5〜100倍、より好ましくは3〜20倍である。このような割合であれば、MEAは十分な反応効率、ゆえに発電性能を発揮できる。また、触媒濃度を段階的に変化させる場合の変化回数は、特に制限されない。例えば、触媒濃度を2〜100回、より好ましくは2〜10回、変化させることが好ましい。   Here, in the catalyst layer, the concentration gradient when the concentration of the catalyst (electrode catalyst) increases stepwise or continuously from the electrolyte membrane side with respect to the thickness direction with respect to the thickness direction is not particularly limited. . In consideration of reaction efficiency, and therefore power generation performance, the ratio of the catalyst concentration (wt%) on the catalyst layer side adjacent to the gas diffusion layer with respect to the electrolyte membrane side is preferably 1.5 to 100 times, more preferably 3 to 3 times. 20 times. With such a ratio, the MEA can exhibit sufficient reaction efficiency and hence power generation performance. Further, the number of changes when the catalyst concentration is changed stepwise is not particularly limited. For example, the catalyst concentration is preferably changed 2 to 100 times, more preferably 2 to 10 times.

(電解質膜)
本発明で使用される電解質膜は、特に限定されず公知の電解質からなる膜を用いることができるが、少なくともプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際、電解質膜は、プロトン解離性の官能基を有する高分子を含むことが好ましい。本明細書において、「プロトン解離性の基」とは、その基から水素原子がプロトン(H)として電離し、離脱し得る官能基を意味する。プロトン解離性の官能基としては、特に制限されないが、例えば、スルホン基(−SOH)、ホスホン基[−PO]などが好ましく挙げられる。具体的には、フッ素系電解質膜、炭化水素系電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜にリン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などの公知の膜が使用できる。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited, and a membrane made of a known electrolyte can be used, but any member having at least proton conductivity may be used. At this time, the electrolyte membrane preferably contains a polymer having a proton dissociable functional group. In the present specification, the “proton dissociable group” means a functional group from which a hydrogen atom can be ionized as a proton (H + ) and separated. The proton dissociating functional group is not particularly limited, for example, a sulfonic group (-SO 3 H), such as a phosphonic group [-PO 3 H 2] are preferably exemplified. Specifically, an electrolyte such as phosphoric acid or ionic liquid is formed on a porous thin film formed of a fluorine-based electrolyte membrane, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like. Well-known solid polymer electrolyte membranes such as membranes impregnated with components, membranes in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, membranes in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, etc. Can be used.

このうち、フッ素系電解質膜としては、特に制限されず、公知のフッ素系電解質膜が使用される。具体的には、フッ素系電解質膜を構成するプロトン解離性の官能基を有するフッ素系電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、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、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂などが好適な一例として挙げられる。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電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜が用いられる。   Among these, as a fluorine-type electrolyte membrane, it does not restrict | limit in particular, A well-known fluorine-type electrolyte membrane is used. Specifically, as the fluorine-based electrolyte having a proton dissociative functional group constituting the fluorine-based electrolyte membrane, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion ( (Registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc., perfluorocarbon sulfonic acid polymers, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymers, perfluorocarbon phosphonic acid polymers, trifluorostyrene sulfonic acid polymers, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfone. An acid-based polymer, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, a polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer, an ion exchange resin manufactured by Dow Chemical Company, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and trifluorostyrene. A resin to polymer are mentioned as suitable examples. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably a fluorine-based electrolyte membrane composed of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer.

また、炭化水素系膜としても、特に制限されず、公知の炭化水素系電解質膜が使用される。具体的には、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜、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、一部がプロトン導電体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プロトン導電体などが使用されるが、耐酸化性、低ガス透過性、製造の容易さ及び低コストなどを考慮すると、スルホン酸基を有する炭化水素系膜が好ましい。本発明で使用される炭化水素系膜としては、特に制限されず、公知の炭化水素系電解質膜が使用されるが、例えば、ポリ(トリフルオロスチレン)スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸ポリマー、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリスルホン、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸、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などが好適な一例として挙げられる。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電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述した電解質(イオン交換樹脂)は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。   Also, the hydrocarbon film is not particularly limited, and a known hydrocarbon electrolyte film is used. Specifically, a hydrocarbon-based resin film having a sulfonic acid group, a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, an organic partially substituted with a functional group of a proton conductor / Inorganic hybrid polymer, proton conductor impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution in polymer matrix is used, but considering oxidation resistance, low gas permeability, ease of production and low cost, A hydrocarbon film having a sulfonic acid group is preferred. The hydrocarbon-based membrane used in the present invention is not particularly limited, and a known hydrocarbon-based electrolyte membrane is used. For example, poly (trifluorostyrene) sulfonic acid, polyvinylphosphonic acid, polyvinylcarboxylic acid, Polyvinyl sulfonic acid polymer, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polysulfone, polysulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkylphosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether Ether ketone sulfonic acid, polyphenyl sulfonic acid, sulfonated polyether sulfone (s-PES), sulfonated polyaryl ether ketone, sulfonated poly Lens imidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, sulfonated polyether ether ketone (s-PEEK), etc. sulfonated polyphenylene are mentioned as suitable examples. These hydrocarbon-based electrolyte membranes 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. In addition, as for the electrolyte (ion exchange resin) mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is needless to say that other materials may be used without being limited to the above-described materials.

これらのうち、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、電解質膜は、フッ素原子を含むのが好ましい。なかでも、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)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。特に、本発明において、高分子電解質としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)等のスルホン酸基を有するものを使用する場合には、EWが600〜1100程度のものを使用することが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、スルホン酸基1モル当たりの乾燥膜重量を表わし、小さいほどスルホン酸基の比重が大きいことを意味する。   Among these, the electrolyte membrane preferably contains a fluorine atom because of excellent heat resistance, chemical stability, and the like. Among these, fluorine electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like are preferable. In particular, in the present invention, when a polymer electrolyte having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is used, it is preferable to use one having an EW of about 600 to 1100. In addition, EW (Equivalent Weight) represents the dry film weight per 1 mol of sulfonic acid groups, and means that the specific gravity of sulfonic acid groups is larger as it is smaller.

電解質膜の厚さは、当該膜を組み込むMEAや固体電解質型燃料電池(PEFC)の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。ただし、電解質膜の厚さは、好ましくは5〜300μmであり、より好ましくは10〜200μmであり、さらに好ましくは15〜150μmであり、特に好ましくは30〜50μmである。厚さがこのような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性、および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the MEA incorporating the membrane or the solid electrolyte fuel cell (PEFC), and is not particularly limited. However, the thickness of the electrolyte membrane is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, still more preferably 15 to 150 μm, and particularly preferably 30 to 50 μm. When the thickness is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

(不純物トラップ部材)
本発明のMEAでは、不純物トラップ部材は、上記したような所定の位置に配置され、HC系電解質を含む。
(Impurity trap member)
In the MEA of the present invention, the impurity trap member is disposed at a predetermined position as described above and includes an HC electrolyte.

本発明で使用されるHC系電解質は、特に限定されず公知の電解質を用いることができるが、少なくともプロトン伝導性を有する。この際、HC系電解質は、プロトン解離性の官能基を有する高分子を含むことが好ましい。プロトン解離性の官能基としては、特に制限されないが、例えば、スルホン酸基(−SOH)、ホスホン酸基[−PO(OH)]、カルボキシル基(−COOH)、−POH(OH)、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)などが好ましく挙げられる。これらのうち、プロトン解離性の官能基が超強酸基であることが好ましい。ここで、「超強酸」とは、100%硫酸よりも酸性の強い酸であり、例えば、スルホン酸基(−SOH)がある。 The HC-based electrolyte used in the present invention is not particularly limited, and a known electrolyte can be used, but at least proton conductivity. At this time, the HC electrolyte preferably includes a polymer having a proton dissociable functional group. The proton dissociative functional group is not particularly limited, and examples thereof include a sulfonic acid group (—SO 3 H), a phosphonic acid group [—PO (OH) 2 ], a carboxyl group (—COOH), and —POH (OH). , -Ph (OH) (Ph represents a phenyl group) and the like. Of these, the proton dissociative functional group is preferably a super strong acid group. Here, the “super strong acid” is an acid that is more acidic than 100% sulfuric acid, and includes, for example, a sulfonic acid group (—SO 3 H).

具体的には、HC系電解質としては、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系、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、一部がプロトン導電体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プロトン導電体などが使用される。より具体的には、ポリ(トリフルオロスチレン)スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸ポリマー、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリスルホン、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸、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およびこれらのコポリマーなどが好適な一例として挙げられる。これらのHC系電解質は、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う利点がある。なお、上述したHC系電解質(イオン交換樹脂)は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。これらのうち、耐酸化性、低ガス透過性、製造の容易さ及び低コストなどを考慮すると、超強酸基(特にスルホン酸基)を有する炭化水素電解質(特に芳香族系電解質)が好ましい。このようなHC系電解質としては、スルホン化ポリエーテルスルホン(s−PES)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(s−PEEK)が特に好ましくある。   Specifically, the HC electrolyte includes a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group, a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, and a part of the functional group of a proton conductor. The organic / inorganic hybrid polymer substituted with (1), a proton conductor in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution are used. More specifically, poly (trifluorostyrene) sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl carboxylic acid, polyvinyl sulfonic acid polymer, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polysulfone, polysulfonic acid, polyaryl ether ketone Sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl sulfonic acid, sulfonated polyether sulfone (s-PES), sulfonated polyaryl ether ketone Sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene Emissions, sulfonated polyether ether ketone (s-PEEK), etc. sulfonated polyphenylene and copolymers are mentioned as suitable examples. These HC-based electrolytes are advantageous in that the raw materials are inexpensive, the manufacturing process is simple, and the material selectivity is high. In addition, only 1 type may be used independently for the HC electrolyte (ion exchange resin) mentioned above, and 2 or more types may be used together. Moreover, it is needless to say that other materials may be used without being limited to the above-described materials. Among these, in view of oxidation resistance, low gas permeability, ease of production, low cost, and the like, hydrocarbon electrolytes having super strong acid groups (particularly sulfonic acid groups) (particularly aromatic electrolytes) are preferable. As such an HC electrolyte, sulfonated polyethersulfone (s-PES) and sulfonated polyetheretherketone (s-PEEK) are particularly preferable.

また、不純物トラップ部材は、必要であれば、電極触媒を含みうる。このように電極触媒を含むことにより、不純物トラップ部材に触媒活性が付与できるため、発電性能などの点で好ましい。ここで、不純物トラップ部材中の電極触媒の含量は、特に制限されないが、当該不純物トラップ部材(固形分換算)中、10〜60質量%であることが好ましい。   Further, the impurity trap member may include an electrode catalyst if necessary. By including the electrode catalyst in this way, catalytic activity can be imparted to the impurity trap member, which is preferable in terms of power generation performance and the like. Here, the content of the electrode catalyst in the impurity trap member is not particularly limited, but is preferably 10 to 60% by mass in the impurity trap member (in terms of solid content).

不純物トラップ部材の形成方法は、特に制限されないが、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法がそのままあるいは適宜修飾して使用できる。ここで、不純物トラップ部材を複数形成する場合には、各不純物トラップ部材は、同一の方法・条件で行なってもよいしあるいは異なる方法・条件で行なってもよい。   The method for forming the impurity trapping member is not particularly limited, but a known method such as a direct coating method (for example, spray method) or a transfer method can be used as it is or after being appropriately modified. Here, when a plurality of impurity trap members are formed, each impurity trap member may be formed by the same method or conditions, or by different methods and conditions.

不純物トラップ部材の厚みは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定することができ、また、上記したような触媒層との体積比となるような厚みであることが好ましい。例えば、図3A、Bに示されるように、単一の層の形態の場合には、不純物トラップ部材の厚みは、通常、0.001〜50μmが好ましく、より好ましくは0.003〜20μm、特に好ましくは0.01〜10μmである。また、図4Aに示されるように、厚み方向に伸びた形態で分散した場合には、不純物トラップ部材の大きさは、厚み方向の長さは触媒層と実質的に同一の長さであり、面方向の長さは、通常、0.001〜50μmが好ましく、より好ましくは0.01〜10μmである。さらに、図4B、Cに示されるように、塊状または平板状に分散した場合には、不純物トラップ部材の大きさは、0.001〜50μm×0.001〜50μmが好ましく、より好ましくは0.01〜10μm×0.01〜10μmである。このような範囲であれば、外部からの不純物の混入を有効に抑制・防止できる。また、当該範囲であれば、負荷サイクルにより触媒層で溶出した触媒(特に、貴金属イオン)を十分トラップすることができ、再び触媒として有効に活用でき、電解質膜内への触媒の溶出・析出(特に、Ptバンド形成)を抑制できる。   The thickness of the impurity trap member can be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is preferably such a thickness that the volume ratio with the catalyst layer is as described above. For example, as shown in FIGS. 3A and 3B, in the case of the form of a single layer, the thickness of the impurity trap member is usually preferably 0.001 to 50 μm, more preferably 0.003 to 20 μm, particularly Preferably it is 0.01-10 micrometers. Further, as shown in FIG. 4A, when dispersed in a form extending in the thickness direction, the size of the impurity trap member is substantially the same as the length of the catalyst layer in the thickness direction, The length in the surface direction is usually preferably 0.001 to 50 μm, more preferably 0.01 to 10 μm. Furthermore, as shown in FIGS. 4B and 4C, when dispersed in a lump or flat plate, the size of the impurity trapping member is preferably 0.001 to 50 μm × 0.001 to 50 μm, more preferably 0.00. It is 01-10 micrometers x 0.01-10 micrometers. If it is such a range, mixing of the impurity from the outside can be suppressed and prevented effectively. Also, within this range, the catalyst (especially noble metal ions) eluted in the catalyst layer by the load cycle can be sufficiently trapped, and can be effectively used again as a catalyst, and the catalyst is eluted and deposited in the electrolyte membrane ( In particular, Pt band formation) can be suppressed.

(触媒層)
本発明に係る触媒層は、電解質膜上に配置されかつF系電解質を含む。ここで、触媒層は、共に導電性担体上に触媒成分が担持してなる電極触媒を含む。
(Catalyst layer)
The catalyst layer according to the present invention is disposed on the electrolyte membrane and includes an F-based electrolyte. Here, the catalyst layer includes an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier.

ここで、カソード触媒層及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。例えば、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はない。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、レニウム、金、銀、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、触媒層は、貴金属を触媒成分として含むことが好ましい。ここで、貴金属としては、特に制限されないが、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金および銀、ならびにこれらの合金が好ましく挙げられる。これらのうち、少なくとも白金を含むものが特に好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   Here, the catalyst components used in the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are not particularly limited, and known catalysts can be used in the same manner. For example, the catalyst component used for the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for oxygen reduction reaction, and the catalyst component used for the anode catalyst layer has a catalytic action for hydrogen oxidation reaction. If there is no restriction in particular. Specifically, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, rhenium, gold, silver, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and the like Selected from such alloys. Of these, the catalyst layer preferably contains a noble metal as a catalyst component in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, and the like. Here, the noble metal is not particularly limited, but preferably includes platinum, rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold and silver, and alloys thereof. Of these, those containing at least platinum are particularly preferably used. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. In general, an alloy is a generic 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. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは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により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in practice the average particle diameter is too small. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.

この触媒成分(触媒粒子)は導電性担体に担持されて電極触媒となる。ここで、導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   The catalyst component (catalyst particles) is supported on a conductive carrier and becomes an electrode catalyst. Here, the conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. Carbon is preferred. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。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を適切に制御することができる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. 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.

また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%を超えると、触媒成分の導電性担体上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく経済上での利点が低下する恐れがある。また、前記担持量が、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the loading amount exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support is lowered, and although the loading amount is increased, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be lowered. On the other hand, if the loading amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass is lowered, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。   The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

このような市販品としては、例えば、田中貴金属工業製、エヌ・イー・ケムキャット製、E−TEK製、ジョンソンマッセイ製などの電極触媒が使用できる。これらの電極触媒は、カーボン担体に、白金や白金合金を担持(触媒種の担持濃度、20〜70質量%)したものである。上記において、カーボン担体としては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理した黒鉛化処理カーボン担体(例えば、黒鉛化処理ケッチェンブラック)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、メソポーラスカーボンなどがある。   As such commercially available products, for example, electrode catalysts such as those manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., N.E. Chemcat, E-TEK, and Johnson Matthey can be used. These electrode catalysts are obtained by supporting platinum or a platinum alloy on a carbon carrier (supporting concentration of catalyst species: 20 to 70% by mass). In the above, as the carbon carrier, ketjen black, vulcan, acetylene black, black pearl, graphitized carbon carrier (for example, graphitized ketjen black) previously heat treated at high temperature, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon fiber, There is mesoporous carbon.

本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、F系高分子電解質が含まれる。本発明で使用されるF系電解質は、特に限定されず公知のフッ素系電解質を用いることができるが、少なくともプロトン伝導性を有する。具体的には、フッ素系電解質を構成するプロトン解離性の官能基を有するフッ素系電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、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、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂などが好適な一例として挙げられる。これらのフッ素系電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れるという利点がある。これらのうち、発電性能上の観点から、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーが好ましく用いられる。なお、上述したF系電解質は、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。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。   The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains an F-based polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The F-based electrolyte used in the present invention is not particularly limited and a known fluorine-based electrolyte can be used, but it has at least proton conductivity. Specifically, as the fluorine-based electrolyte having a proton dissociable functional group constituting the fluorine-based electrolyte, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered) (Trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc., perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid -Based polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer, ion exchange resin manufactured by Dow Chemical Company, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, trifluorostyrene A resin to Rimmer are mentioned as suitable examples. These fluorine-based electrolytes have the advantage of being excellent in heat resistance, chemical stability, and the like. Of these, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer is preferably used from the viewpoint of power generation performance. In addition, as for the F type electrolyte mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is needless to say that other materials may be used without being limited to the above-described materials.

触媒層は、上記電極触媒を含む。ここで、触媒層中の電極触媒の含量は、特に制限されないが、当該触媒層(固形分換算)中、10〜60質量%であることが好ましい。   The catalyst layer contains the electrode catalyst. Here, the content of the electrode catalyst in the catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 10 to 60% by mass in the catalyst layer (in terms of solid content).

触媒層の形成方法は、特に制限されないが、直接塗布法(例えば、スプレー法)や転写法等の公知の方法がそのままあるいは適宜修飾して使用できる。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited, and a known method such as a direct coating method (for example, spray method) or a transfer method can be used as it is or after being appropriately modified.

触媒層の厚みは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定することができ、また、上記したような不純物トラップ部材との体積比となるような厚みであることが好ましい。通常、触媒層の厚みは、0.05〜50μmが好ましく、より好ましくは0.1〜30μmである。このような範囲であれば、十分な発電量が得られ、また、高出力を維持できる。   The thickness of the catalyst layer can be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is preferably such a thickness that the volume ratio with the impurity trap member as described above is obtained. Usually, the thickness of the catalyst layer is preferably 0.05 to 50 μm, more preferably 0.1 to 30 μm. If it is such a range, sufficient electric power generation amount can be obtained and a high output can be maintained.

次に、不純物トラップ部材および触媒層の形成方法を具体的に説明する。なお、本発明は下記方法によって限定されるものではなく、下記方法を適宜修飾してあるいは他の方法を用いてもよい。また、以下の方法において、不純物トラップ部材および触媒層は、同一の方法・条件で行なってもよいしあるいは異なる方法・条件で行なってもよい。   Next, a method for forming the impurity trap member and the catalyst layer will be specifically described. In addition, this invention is not limited by the following method, You may modify the following method suitably or may use another method. In the following method, the impurity trap member and the catalyst layer may be formed by the same method or conditions or by different methods and conditions.

具体的には、本発明のMEAは、直接塗布法あるいは転写法等、公知の方法によって製造できる。直接塗布法の好ましい実施形態は、下記のとおりである。まず、上記したような電極触媒、F系高分子電解質及び溶剤を混合して触媒インク(1)を調製し、これを電解質膜上に塗布することによって、触媒層を形成する。次に、同様にして、上記したようなHC系高分子電解質及び溶剤を混合して電解質インク(2)を調製し、これを、上記で形成した触媒層上に塗布することによって、不純物トラップ部材を形成する。当該工程を上記電解質膜の他方の面についても繰り返し、カソード触媒層及びアノード触媒層を、それぞれ、電解質膜上に形成する。これにより、電解質膜、触媒層及び不純物トラップ部材とからなるMEAを得ることができる。   Specifically, the MEA of the present invention can be produced by a known method such as a direct coating method or a transfer method. A preferred embodiment of the direct coating method is as follows. First, a catalyst ink (1) is prepared by mixing the above-described electrode catalyst, F-based polymer electrolyte and solvent, and this is applied onto the electrolyte membrane to form a catalyst layer. Next, in the same manner, an HC polymer electrolyte and a solvent as described above are mixed to prepare an electrolyte ink (2), which is applied onto the catalyst layer formed above, whereby an impurity trap member. Form. The process is repeated for the other surface of the electrolyte membrane to form a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer on the electrolyte membrane, respectively. Thereby, MEA which consists of an electrolyte membrane, a catalyst layer, and an impurity trap member can be obtained.

また、転写法の好ましい実施形態は、下記のとおりである。まず、上記したようなHC系高分子電解質及び溶剤を含む電解質インク(2’)を、転写用台紙またはガス拡散層に塗布することによって、不純物トラップ部材を形成する。次に、同様にして、上記したような電極触媒、F系高分子電解質及び溶剤を混合して触媒インク(1’)を調製し、これを、上記で形成した不純物トラップ部材上に塗布することによって、触媒層を形成する。当該工程を繰り返し、カソード触媒層及びアノード触媒層を、それぞれ、転写用台紙またはガス拡散層上に形成する。さらに、このようにして作製された触媒層2枚で電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、触媒層及び電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより高分子電解質膜と触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、必要であれば転写用台紙を剥がすことにより、触媒層と電解質膜とからなるMEAを得ることができる。   A preferred embodiment of the transfer method is as follows. First, an impurity trap member is formed by applying an electrolyte ink (2 ') containing the HC polymer electrolyte and solvent as described above to a transfer mount or a gas diffusion layer. Next, in the same manner, a catalyst ink (1 ′) is prepared by mixing the above-described electrode catalyst, F-based polymer electrolyte and solvent, and this is applied onto the impurity trap member formed above. To form a catalyst layer. This process is repeated to form a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer on the transfer mount or gas diffusion layer, respectively. Further, after sandwiching the electrolyte membrane between the two catalyst layers thus prepared, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the catalyst layer and the electrolyte membrane can be joined sufficiently closely, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C., and 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. It is preferable to carry out at a pressing pressure of. Thereby, the bondability between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer can be enhanced. After performing hot pressing, if necessary, the transfer mount is peeled off to obtain an MEA comprising a catalyst layer and an electrolyte membrane.

上記方法において、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、純水、超純水、イオン交換水、濾過水等の水;シクロヘキサノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等の低級アルコールなどが使用できる。これらの溶剤は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the said method, it does not restrict | limit especially as a solvent, The normal solvent used for forming a catalyst layer can be used similarly. Specifically, water such as pure water, ultrapure water, ion exchange water, filtered water; lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol, n-propanol, and isopropanol can be used. These solvents may be used alone or in the form of a mixture of two or more. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.

上記触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、特に転写法では、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。   The catalyst ink may contain a thickener. The use of a thickener is effective particularly when the catalyst ink cannot be applied well onto the transfer mount in the transfer method. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

また、上記触媒インクは、撥水剤を含んでもよい。これにより、撥水性をより高めてフラッディング現象などを抑制・防止することができる。上記撥水剤としては、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。撥水剤を使用する際の、撥水剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。   The catalyst ink may contain a water repellent. As a result, the water repellency can be further increased to suppress / prevent flooding and the like. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene. The amount of the water repellent added when the water repellent is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

上記転写法において、転写用台紙としては、特に制限されず、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。また、触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。   In the above transfer method, the transfer mount is not particularly limited, and a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink). In the above step, the thickness of the catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Can be used. The method for applying the catalyst ink is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied.

本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のナフィオン(登録商標)溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でナフィオン(登録商標)が分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution in which the electrolyte is previously prepared in the other solvent (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont: Nafion (registered trademark) dispersed in 1-propanol at a concentration of 5 wt% / The suspension) may be used in the above method as it is.

触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを、乾燥後の厚みが上記したような所定の厚みになるように、所定の基材(電解質膜、転写用台紙、不純物トラップ部材、触媒層)上に塗布する。次に、この塗膜を、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜120℃、より好ましくは50〜80℃で、5〜60分間、より好ましくは10〜40分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。   The conditions for forming the catalyst layer are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or with appropriate modifications. For example, the catalyst ink is applied onto a predetermined substrate (electrolyte film, transfer mount, impurity trap member, catalyst layer) such that the thickness after drying becomes the predetermined thickness as described above. Next, this coating film is dried in a vacuum dryer or under reduced pressure at 25 to 120 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 5 to 60 minutes, more preferably 10 to 40 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.

(ガス拡散層)
本発明によるMEAは、一般的にガス拡散層をさらに有してもよい。この際、上記方法において直接塗布法を使用する場合には、各触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この触媒層−ガス拡散層接合体で電解質膜をホットプレスにより挟持・接合できる。または、電解質膜の両面に形成された各触媒層上にガス拡散層を形成してもよい。また、転写法の場合には、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、触媒層と電解質膜との接合後にさらに各触媒層に接合できる。
(Gas diffusion layer)
The MEA according to the present invention may generally further comprise a gas diffusion layer. At this time, when the direct coating method is used in the above method, each catalyst layer is previously formed on the surface of the gas diffusion layer to produce a catalyst layer-gas diffusion layer assembly, and then the same as described above. The electrolyte membrane can be sandwiched and joined by hot pressing with this catalyst layer-gas diffusion layer assembly. Alternatively, a gas diffusion layer may be formed on each catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte membrane. In the case of the transfer method, the transfer mount is peeled off, and the obtained joined body is further sandwiched between gas diffusion layers, so that the catalyst layer and the electrolyte membrane can be further joined to each catalyst layer.

この際、MEAに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用できる。例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、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。このような厚さであれば、十分な機械的強度およびガスや水などの透過性などが得られる。   At this time, the gas diffusion layer used in the MEA is not particularly limited, and known ones can be used in the same manner. Examples thereof include those based on a sheet-like material having conductivity and porosity such as carbon woven fabrics such as glassy carbon, paper-like paper bodies, felts and nonwoven fabrics. 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. With such a thickness, sufficient mechanical strength and permeability such as gas and water can be obtained.

触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。   The method for forming the catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. Moreover, the formation conditions in particular on the gas diffusion layer surface of a catalyst layer are not restrict | limited, The conditions similar to the past can be applied with the above specific formation methods.

前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、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 in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に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を有するものであってもよい。   Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.

前記カーボン粒子としては、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一般的なものであればよい。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挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、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 are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size 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.

前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる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る。   Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記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、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、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、質量比で、90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤の質量比)程度とするのがよい。   In the carbon particle layer, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent). .

前記カーボン粒子層の厚さは、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 thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。   When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.

ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する方法としては、特に制限されないが、例えば、下記方法が使用できる。カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製する。次に、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   The method for forming the carbon particle layer on the substrate in the gas diffusion layer is not particularly limited, and for example, the following method can be used. A slurry is prepared by dispersing carbon particles, a water repellent, and the like in a solvent such as water, an alcohol solvent such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, and ethanol. Next, the slurry may be applied on a substrate and dried, or the slurry may be dried once and pulverized to form a powder, which may be applied onto the gas diffusion layer. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

なお、触媒層と電解質膜と、及び好ましくはガス拡散層を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、触媒層を固体電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、MEAとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて触媒層を形成し、これを電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。   In addition, the manufacturing method of the joined body including the catalyst layer, the electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the method described above. That is, a method in which a catalyst ink is applied and dried on an electrolyte membrane, followed by hot pressing, the catalyst layer is joined to a solid electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between gas diffusion layers to form MEA; Ink may be applied to the gas diffusion layer and dried to form a catalyst layer, which may be bonded to the electrolyte membrane by hot pressing, or any other known technique may be used as appropriate.

本発明の電解質膜−電極接合体及び本発明の方法によって製造される電解質膜−電極接合体は、上述した通り、優れた耐久性および高い発電性能を有する。従って、かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、耐久性や発電性能にも優れる燃料電池を提供することができる。   As described above, the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention and the electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method of the present invention have excellent durability and high power generation performance. Therefore, by using such an electrolyte membrane-electrode assembly, a fuel cell excellent in durability and power generation performance can be provided.

(セパレータ)
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。そのため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられている。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(Separator)
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. Therefore, as described above, each separator is provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

(ガスケット)
ガスケットは、1対の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 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.

[車両]
上述した本発明の燃料電池(燃料電池スタックを含む)200を搭載した車両300(図11参照)もまた、本発明の技術的範囲に包含される。例えば、本発明を適用した固体高分子形燃料電池(PEFC)やスタック型燃料電池は、出力性能に非常に優れているため、高出力を要求される車両用途に適している。また、本発明に係る燃料電池200を搭載した車両300は、スタック状態で裁断できる燃料電池を搭載する車両なので、燃料電池ユニットの生産タクトを短縮し燃料電池車両の生産性を向上させることができる。
[vehicle]
The vehicle 300 (see FIG. 11) on which the above-described fuel cell (including the fuel cell stack) 200 of the present invention is mounted is also included in the technical scope of the present invention. For example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or a stack type fuel cell to which the present invention is applied is very excellent in output performance, and is suitable for vehicle applications that require high output. Further, since the vehicle 300 equipped with the fuel cell 200 according to the present invention is equipped with a fuel cell that can be cut in a stacked state, the production cycle of the fuel cell unit can be shortened and the productivity of the fuel cell vehicle can be improved. .

本発明の燃料電池や燃料電池スタックは、耐久性や性能に非常に優れている。   The fuel cell and fuel cell stack of the present invention are extremely excellent in durability and performance.

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

実施例1
1.触媒層形成用の触媒インクの調製
白金触媒 20mgに、超純水 19ml、イソプロピルアルコール 6ml及びF系電解質として0.5wt% ナフィオン(登録商標)分散溶液(DuPont(株)社製、DE2020CS)100μlを加え、混合液を調製した。得られた混合液を、30分間、超音波処理して、触媒インク(1)を得た。なお、上記白金触媒として、白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E、白金含量46質量%)を使用した。
Example 1
1. Preparation of catalyst ink for forming catalyst layer 20 mg of platinum catalyst, 19 ml of ultrapure water, 6 ml of isopropyl alcohol, and 100 μl of 0.5 wt% Nafion (registered trademark) dispersion solution (DuPont Co., Ltd., DE2020CS) as F-based electrolyte In addition, a mixed solution was prepared. The obtained mixed liquid was subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes to obtain catalyst ink (1). Note that platinum-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, platinum content 46% by mass) was used as the platinum catalyst.

2.不純物トラップ部材形成用の電解質インクの調製
HC系電解質としてスルホン化ポリエーテルスルホン(s−PES)を、0.5wt%濃度となるように、イソプロピルアルコールと混合し、混合液を調製した。得られた混合液を、30分間、超音波処理して、電解質インク(2)を得た。なお、ここで使用されたs−PESは、重量平均分子量が80,000〜160,000(ポリエチレングリコール(PEG)換算)である、下記構造式のスルホン化ポリエーテルスルホンである。
2. Preparation of Electrolyte Ink for Impurity Trap Member Formation Sulfated polyethersulfone (s-PES) as an HC-based electrolyte was mixed with isopropyl alcohol so as to have a concentration of 0.5 wt% to prepare a mixed solution. The obtained mixed liquid was subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes to obtain an electrolyte ink (2). In addition, s-PES used here is a sulfonated polyethersulfone having the following structural formula having a weight average molecular weight of 80,000 to 160,000 (in terms of polyethylene glycol (PEG)).

3.触媒層(1)の形成
上記1.で調製した触媒インク(1)10μlを、ガス拡散層としてのグラッシーカーボン電極(塗布面積=約0.2cm)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間乾燥させて、触媒層(1)を形成した。
3. Formation of catalyst layer (1) 10 μl of the catalyst ink (1) prepared in Step 1 was applied onto a glassy carbon electrode (application area = about 0.2 cm 2 ) as a gas diffusion layer using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes to obtain a catalyst layer. (1) was formed.

4.不純物トラップ部材の形成
上記2.で調製した電解質インク(2)2μlを、上記3.で形成した触媒層(1)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、不純物トラップ部材を触媒層(1)上に形成した。
4). Formation of impurity trapping member 2. 2 μl of the electrolyte ink (2) prepared in step 3 above was added. The impurity trap member was formed on the catalyst layer (1) by applying the solution on the catalyst layer (1) formed in step 1 using a micropipette and drying at 60 ° C. for 10 minutes.

5.触媒層(2)の形成
上記1.で調製した触媒インク(1)2μlを、上記4.で形成した不純物トラップ部材上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、触媒層(2)を不純物トラップ部材上に形成して、積層体(1)を得た。
5). Formation of catalyst layer (2) 2 μl of the catalyst ink (1) prepared in step 4 above was added. It was applied on the impurity trapping member formed by using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes to form a catalyst layer (2) on the impurity trapping member to obtain a laminate (1).

これにより、触媒層中の合計Pt担持量は、0.35mg/cmであり、触媒層(1)の平均厚みは、約0.1μmであり、触媒層(2)の平均厚みは、約0.1μmであった。また、触媒層(1)及び(2)の間に形成された不純物トラップ部材の平均厚みは、0.02μmであった。また、不純物トラップ部材に対する触媒層(合計)の体積比は、5である。 Thereby, the total amount of Pt supported in the catalyst layer is 0.35 mg / cm 2 , the average thickness of the catalyst layer (1) is about 0.1 μm, and the average thickness of the catalyst layer (2) is about It was 0.1 μm. Moreover, the average thickness of the impurity trap member formed between the catalyst layers (1) and (2) was 0.02 μm. The volume ratio of the catalyst layer (total) to the impurity trap member is 5.

この積層体(1)は、図5に示されるように、グラッシーカーボン電極、触媒層(1)、不純物トラップ部材および触媒層(2)が順次形成した構造であった。   As shown in FIG. 5, the laminate (1) had a structure in which a glassy carbon electrode, a catalyst layer (1), an impurity trap member, and a catalyst layer (2) were sequentially formed.

実施例2
1.触媒層(1)の形成
上記実施例1 1.で調製した触媒インク(1)10μlを、ガス拡散層としてのグラッシーカーボン電極(塗布面積=約0.2cm)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、触媒層(1)を形成した。
Example 2
1. Formation of catalyst layer (1) Example 1 above. 10 μl of the catalyst ink (1) prepared in step 1 was applied onto a glassy carbon electrode (application area = about 0.2 cm 2 ) as a gas diffusion layer using a micropipette, dried at 60 ° C. for 10 minutes, Layer (1) was formed.

2.不純物トラップ部材(1)の形成
上記実施例1 2.で調製した電解質インク(2)10μlを、上記1.で形成した触媒層(1)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、不純物トラップ部材(1)を触媒層(1)上に形成した。
2. Formation of impurity trap member (1) Example 1 above. 10 μl of the electrolyte ink (2) prepared in the above 1. The impurity trap member (1) was formed on the catalyst layer (1) by applying it on the catalyst layer (1) formed in Step 1 using a micropipette and drying at 60 ° C. for 10 minutes.

3.触媒層(2)の形成
上記実施例1 1.で調製した触媒インク(1)10μlを、上記2.で形成した不純物トラップ部材上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、触媒層(2)を不純物トラップ部材(1)上に形成した。
3. Formation of catalyst layer (2) Example 1 above. 10 μl of the catalyst ink (1) prepared in (1) above was added to the above 2. The catalyst layer (2) was formed on the impurity trapping member (1) by applying the micropipette on the impurity trapping member formed in (1) above and drying at 60 ° C. for 10 minutes.

4.不純物トラップ部材(2)の形成
上記実施例1 2.で調製した電解質インク(2)10μlを、上記3.で形成した触媒層(2)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、不純物トラップ部材(2)を触媒層(2)上に形成し、積層体(2)を得た。
4). Formation of impurity trap member (2) Example 1 above. 10 μl of the electrolyte ink (2) prepared in (3) above was added. The catalyst layer (2) formed in (1) was applied using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes to form an impurity trap member (2) on the catalyst layer (2). Got.

これにより、触媒層中の合計Pt担持量は、0.35mg/cmであり、触媒層(1)の平均厚みは、0.1μmであり、触媒層(2)の平均厚みは、0.1μmであった。また、不純物トラップ部材(1)の平均厚みは、0.01μmであり、不純物トラップ部材(2)の平均厚みは、0.01μmであった。また、不純物トラップ部材(合計)に対する触媒層(合計)の体積比は、5である。 Thereby, the total amount of Pt supported in the catalyst layer is 0.35 mg / cm 2 , the average thickness of the catalyst layer (1) is 0.1 μm, and the average thickness of the catalyst layer (2) is 0.00. It was 1 μm. Moreover, the average thickness of the impurity trap member (1) was 0.01 μm, and the average thickness of the impurity trap member (2) was 0.01 μm. The volume ratio of the catalyst layer (total) to the impurity trap members (total) is 5.

この積層体(2)は、図6に示されるように、グラッシーカーボン電極、触媒層(1)、不純物トラップ部材(1)、触媒層(2)および不純物トラップ部材(2)が順次形成した構造であった。   As shown in FIG. 6, this laminate (2) has a structure in which a glassy carbon electrode, a catalyst layer (1), an impurity trap member (1), a catalyst layer (2), and an impurity trap member (2) are sequentially formed. Met.

実施例3
1.触媒層形成用の触媒インクの調製
パラジウム触媒 20mgに、超純水 19ml、イソプロピルアルコール 6ml及びF系電解質として0.5wt% ナフィオン(登録商標)分散溶液(DuPont(株)社製、DE521CS)100μlを加え、混合液を調製した。得られた混合液を、30分間、超音波処理して、触媒インク(3)を得た。なお、上記パラジウム触媒は、平均粒径30nmのPd粒子を、導電性担体としてのケッチェンブラック(BET表面積=50m/g)に50質量%の担持量で担持してなる。
Example 3
1. Preparation of catalyst ink for forming catalyst layer 20 mg of palladium catalyst, 19 ml of ultrapure water, 6 ml of isopropyl alcohol, and 100 μl of 0.5 wt% Nafion (registered trademark) dispersion solution (DuPont Co., Ltd., DE521CS) as F-based electrolyte In addition, a mixed solution was prepared. The obtained mixed liquid was subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes to obtain catalyst ink (3). The palladium catalyst is formed by supporting Pd particles having an average particle size of 30 nm on a ketjen black (BET surface area = 50 m 2 / g) as a conductive carrier in a loading amount of 50% by mass.

2.不純物トラップ部材形成用の電解質インクの調製
パラジウム触媒 20mgに、超純水 19ml、イソプロピルアルコール 6ml及びHC系電解質として0.5wt% s−PES溶液 100μlを加え、混合液を調製した。得られた混合液を、30分間、超音波処理して、電解質インク(4)を得た。なお、上記パラジウム触媒は、上記1.と同じものである。また、上記s−PES溶液は、実施例1 2.で使用されたs−PES溶液と同じものである。
2. Preparation of Electrolyte Ink for Impurity Trap Member Formation To 20 mg of palladium catalyst, 19 ml of ultrapure water, 6 ml of isopropyl alcohol and 100 μl of 0.5 wt% s-PES solution as HC electrolyte were added to prepare a mixed solution. The obtained mixed liquid was subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes to obtain an electrolyte ink (4). The palladium catalyst is the same as in the above 1. Is the same. In addition, the s-PES solution was used in Example 1. It is the same as the s-PES solution used in 1.

3.触媒層(1)の形成
上記1.で調製した触媒インク(3)10μlを、ガス拡散層としてのグラッシーカーボン電極(塗布面積=約0.2cm)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、触媒層(1)を形成した。
3. Formation of catalyst layer (1) 10 μl of the catalyst ink (3) prepared in Step 1 was applied onto a glassy carbon electrode (application area = about 0.2 cm 2 ) as a gas diffusion layer using a micropipette, dried at 60 ° C. for 10 minutes, Layer (1) was formed.

4.不純物トラップ部材の形成
上記2.で調製した電解質インク(4)2μlを、上記3.で形成した触媒層(1)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、不純物トラップ部材を触媒層(1)上に形成した。
4). Formation of impurity trapping member 2. 2 μl of the electrolyte ink (4) prepared in step 3 above was added. The impurity trap member was formed on the catalyst layer (1) by applying the solution on the catalyst layer (1) formed in step 1 using a micropipette and drying at 60 ° C. for 10 minutes.

5.触媒層(2)の形成
上記1.で調製した触媒インク(3)2μlを、上記4.で形成した不純物トラップ部材上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、触媒層(2)を不純物トラップ部材上に形成して、積層体(3)を得た。
5). Formation of catalyst layer (2) 2 μl of the catalyst ink (3) prepared in (4) above was added. It was applied on the impurity trapping member formed by using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes to form a catalyst layer (2) on the impurity trapping member to obtain a laminate (3).

これにより、触媒層中の合計Pt担持量は、0.35mg/cmであり、触媒層(1)の平均厚みは、0.1μmであり、触媒層(2)の平均厚みは、0.1μmであった。また、触媒層(1)及び(2)の間に形成された不純物トラップ部材の平均厚みは、0.04
μmであった。また、不純物トラップ部材に対する触媒層(合計)の体積比は、5である。
Thereby, the total amount of Pt supported in the catalyst layer is 0.35 mg / cm 2 , the average thickness of the catalyst layer (1) is 0.1 μm, and the average thickness of the catalyst layer (2) is 0.00. It was 1 μm. The average thickness of the impurity trap member formed between the catalyst layers (1) and (2) is 0.04.
It was μm. The volume ratio of the catalyst layer (total) to the impurity trap member is 5.

この積層体(3)は、図7に示されるように、グラッシーカーボン電極、触媒層(1)、不純物トラップ部材および触媒層(2)が順次形成した構造であった。   As shown in FIG. 7, the laminate (3) had a structure in which a glassy carbon electrode, a catalyst layer (1), an impurity trap member, and a catalyst layer (2) were sequentially formed.

実施例4
1.触媒層(1)の形成
上記実施例3 1.で調製した触媒インク(3)2μlを、ガス拡散層としてのグラッシーカーボン電極(塗布面積=約0.2cm)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、触媒層(1)を形成した。
Example 4
1. Formation of catalyst layer (1) Example 3 above. 2 μl of the catalyst ink (3) prepared in ( 1 ) above was applied onto a glassy carbon electrode (application area = about 0.2 cm 2 ) as a gas diffusion layer using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes. Layer (1) was formed.

2.不純物トラップ部材(1)の形成
上記実施例3 2.で調製した電解質インク(4)2μlを、上記1.で形成した触媒層(1)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、不純物トラップ部材(1)を触媒層(1)上に形成した。
2. Formation of impurity trap member (1) Example 3 above. 2 μl of the electrolyte ink (4) prepared in 1. The impurity trap member (1) was formed on the catalyst layer (1) by applying it on the catalyst layer (1) formed in Step 1 using a micropipette and drying at 60 ° C. for 10 minutes.

3.触媒層(2)の形成
上記実施例3 1.で調製した触媒インク(3)2μlを、上記2.で形成した不純物トラップ部材上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、触媒層(2)を不純物トラップ部材(1)上に形成した。
3. Formation of catalyst layer (2) Example 3 above. 2 μl of the catalyst ink (3) prepared in (2) above was added. The catalyst layer (2) was formed on the impurity trapping member (1) by applying the micropipette on the impurity trapping member formed in (1) above and drying at 60 ° C. for 10 minutes.

4.不純物トラップ部材(2)の形成
上記実施例3 2.で調製した電解質インク(4)2μlを、上記3.で形成した触媒層(2)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、不純物トラップ部材(2)を触媒層(2)上に形成し、積層体(4)を得た。
4). Formation of impurity trap member (2) Example 3 above. 2 μl of the electrolyte ink (4) prepared in step 3 above was added. The catalyst layer (2) formed in Step 1 was applied using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes to form an impurity trap member (2) on the catalyst layer (2). Got.

これにより、触媒層中の合計Pt担持量は、0.35mg/cmであり、触媒層(1)の平均厚みは、0.1μmであり、触媒層(2)の平均厚みは、0.1μmであった。また、不純物トラップ部材(1)の平均厚みは、0.004μmであり、不純物トラップ部材(2)の平均厚みは、0.004μmであった。また、不純物トラップ部材(合計)に対する触媒層(合計)の体積比は、5である。 Thereby, the total amount of Pt supported in the catalyst layer is 0.35 mg / cm 2 , the average thickness of the catalyst layer (1) is 0.1 μm, and the average thickness of the catalyst layer (2) is 0.00. It was 1 μm. Moreover, the average thickness of the impurity trap member (1) was 0.004 μm, and the average thickness of the impurity trap member (2) was 0.004 μm. The volume ratio of the catalyst layer (total) to the impurity trap members (total) is 5.

この積層体(4)は、図8に示されるように、グラッシーカーボン電極、触媒層(1)、不純物トラップ部材(1)、触媒層(2)および不純物トラップ部材(2)が順次形成した構造であった。   As shown in FIG. 8, the laminate (4) has a structure in which a glassy carbon electrode, a catalyst layer (1), an impurity trap member (1), a catalyst layer (2), and an impurity trap member (2) are sequentially formed. Met.

実施例5
HC系電解質としてスルホン化ポリエーテルスルホン(s−PES)(内製、)3.5部を、1−プロパノール72.4部、イオン交換水24.1部に溶解させて、3.5重量%のHC系電解質溶液を得た。この溶液17部と1−プロパノール55.5部およびイオン交換水18.0部、50%白金担持カーボン5.5部をメディアミルにて3時間、攪拌・混合した。次いで、この混合液に、F系電解質として0.5wt% ナフィオン(登録商標)分散溶液(DuPont(株)社製、DE2020CS)4.0部を添加、攪拌・混合して、触媒インク(5)を得た。なお、当該操作により、触媒表面にHC系電解質及びF系電解質が順次被覆してなる触媒が得られる。また、上記白金触媒として、白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E、白金含量46質量%)を使用した。
Example 5
3.5 parts by weight of sulfonated polyethersulfone (s-PES) (made in-house) as HC electrolyte was dissolved in 72.4 parts of 1-propanol and 24.1 parts of ion-exchanged water. The HC electrolyte solution was obtained. 17 parts of this solution, 55.5 parts of 1-propanol, 18.0 parts of ion-exchanged water, and 5.5 parts of 50% platinum-supported carbon were stirred and mixed in a media mill for 3 hours. Next, 4.0 parts of a 0.5 wt% Nafion (registered trademark) dispersion solution (DuPont Co., Ltd., DE2020CS) as an F-based electrolyte was added to this mixed liquid, and stirred and mixed to obtain catalyst ink (5). Got. By this operation, a catalyst is obtained in which the catalyst surface is sequentially coated with an HC electrolyte and an F electrolyte. In addition, platinum-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, platinum content 46% by mass) was used as the platinum catalyst.

このようにして調製した触媒インク(5)10μlを、ガス拡散層としてのグラッシーカーボン電極(塗布面積=約0.2cm)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、積層体(5)を得た。 10 μl of the catalyst ink (5) thus prepared was applied onto a glassy carbon electrode (application area = about 0.2 cm 2 ) as a gas diffusion layer using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes. Thus, a laminate (5) was obtained.

これにより得られた積層体(5)では、触媒表面にHC系電解質及びF系電解質が順次被覆してなる塊状の不純物トラップ部材(平均の大きさ:0.1μm×0.5μm)が触媒層内に分散して存在する。また、触媒層中の合計Pt担持量は、0.35mg/cmであり、触媒層の平均厚みは、0.1μmであった。また、不純物トラップ部材(合計)に対する触媒層(合計)の体積比は、5である。 In the laminate (5) thus obtained, a massive impurity trap member (average size: 0.1 μm × 0.5 μm) in which the catalyst surface is sequentially coated with the HC electrolyte and the F electrolyte is the catalyst layer. Exist in a distributed manner. Further, the total amount of Pt supported in the catalyst layer was 0.35 mg / cm 2 , and the average thickness of the catalyst layer was 0.1 μm. The volume ratio of the catalyst layer (total) to the impurity trap members (total) is 5.

比較例1
上記実施例1 1.で調製した触媒インク(1)10μlを、ガス拡散層としてのグラッシーカーボン電極(塗布面積=約0.2cm)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、比較積層体(1)を作製した。これにより、Pt担持量が0.35mg/cmで、平均厚み0.1μmの触媒層がガス拡散層上に形成された。
Comparative Example 1
Example 1 above. 10 μl of the catalyst ink (1) prepared in step 1 was applied onto a glassy carbon electrode (application area = about 0.2 cm 2 ) as a gas diffusion layer using a micropipette and dried at 60 ° C. for 10 minutes for comparison. A laminate (1) was produced. As a result, a catalyst layer having a Pt loading of 0.35 mg / cm 2 and an average thickness of 0.1 μm was formed on the gas diffusion layer.

この比較積層体(1)は、図9に示されるように、グラッシーカーボン電極上に触媒層のみが形成された構造であった。   As shown in FIG. 9, this comparative laminate (1) had a structure in which only the catalyst layer was formed on the glassy carbon electrode.

比較例2
上記実施例3 1.で調製した触媒インク(3)10μlを、ガス拡散層としてのグラッシーカーボン電極(塗布面積=約0.2cm)上にマイクロピペットを用いて塗布し、60℃で10分間、乾燥させて、比較積層体(2)を製造した。これにより、Pd担持量が15mg/cmで、平均厚み0.1μmの触媒層がガス拡散層上に形成された。
Comparative Example 2
Example 3 above. 10 μl of the catalyst ink (3) prepared in step 1 was applied onto a glassy carbon electrode (application area = about 0.2 cm 2 ) as a gas diffusion layer using a micropipette, dried at 60 ° C. for 10 minutes, and compared. A laminate (2) was produced. As a result, a catalyst layer having a Pd loading of 15 mg / cm 2 and an average thickness of 0.1 μm was formed on the gas diffusion layer.

この比較積層体(2)は、図10に示されるように、グラッシーカーボン電極上に触媒層のみが形成された構造であった。   As shown in FIG. 10, this comparative laminate (2) had a structure in which only the catalyst layer was formed on the glassy carbon electrode.

(電気化学評価試験)
上記実施例1〜4および比較例1〜2で作製した積層体(1)〜(4)および比較積層体(1)〜(2)について、以下のようにして電気化学特性を評価した。すなわち、上記各サンプル(半電池触媒電極層)を、25℃で酸素飽和させた0.1M HClO溶液内でポテンショスタットにより電位掃引した。この際、ポテンショスタットによる電位掃引条件は、操作速度が10mV/sで0.2Vから1.2Vまで行った。ここで、0.9Vvs.RHEでの電流を求めた。さらに、酸素拡散の影響を限界電流を用いて補正し、触媒層内の触媒重量により規定することで質量活性(A/g−catalyst)を得た。この質量活性を酸素還元活性の指標とする。
(Electrochemical evaluation test)
For the laminates (1) to (4) and the comparative laminates (1) to (2) prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2, electrochemical characteristics were evaluated as follows. That is, each sample (half-cell catalyst electrode layer) was subjected to a potential sweep with a potentiostat in a 0.1 M HClO 4 solution saturated with oxygen at 25 ° C. At this time, the potential sweep condition by the potentiostat was performed from 0.2 V to 1.2 V at an operation speed of 10 mV / s. Here, 0.9Vvs. The current at RHE was determined. Further, the mass activity (A / g-catalyst) was obtained by correcting the influence of oxygen diffusion using the limiting current and defining it by the catalyst weight in the catalyst layer. This mass activity is used as an index of oxygen reduction activity.

(耐久性評価試験)
上記実施例1〜4および比較例1〜2で作製した積層体(1)〜(4)および比較積層体(1)〜(2)について、以下のようにして耐久性を評価した。すなわち、上記各サンプル(半電池触媒電極層)を、60℃、窒素飽和0.1M HClO内において0.6〜1.0V,3sの矩形波を用いて、10,000サイクル試験前後の質量活性の初期比(%)を求め、触媒金属耐溶性能を測定した。なお、質量活性変化率は95%であった。
(Durability evaluation test)
The durability of the laminates (1) to (4) and the comparative laminates (1) to (2) produced in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 was evaluated as follows. That is, each sample (half-cell catalyst electrode layer) was massed before and after the 10,000 cycle test using a rectangular wave of 0.6 to 1.0 V, 3 s at 60 ° C. in 0.1 M HClO 4 saturated with nitrogen. The initial ratio (%) of activity was determined, and the catalyst metal dissolution resistance was measured. The mass activity change rate was 95%.

上記電気化学評価試験及び耐久性評価試験を下記表1に示す。   The electrochemical evaluation test and durability evaluation test are shown in Table 1 below.

上記表1の結果から、本電極は、比較MEAに比して、質量活性初期比が有意に低いことが分かる。   From the results of Table 1 above, it can be seen that this electrode has a significantly lower initial mass activity ratio than the comparative MEA.

100 MEA、
110 固体高分子電解質膜、
120a アノード触媒層、
120c カソード触媒層、
140a アノード側ガス拡散層、
140c カソード側ガス拡散層、
150a アノード側セパレータ、
150c カソード側セパレータ、
152a 燃料ガス流路、
152c 酸化剤ガス流路、
160 ガスケット、
200 固体高分子形燃料電池。
100 MEA,
110 solid polymer electrolyte membrane,
120a anode catalyst layer,
120c cathode catalyst layer,
140a anode side gas diffusion layer,
140c cathode side gas diffusion layer,
150a anode side separator,
150c cathode side separator,
152a fuel gas flow path,
152c oxidant gas flow path,
160 gasket,
200 Solid polymer fuel cell.

Claims (10)

電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、
前記カソード触媒層に配置された、カソード側ガス拡散層と、
前記電解質膜の他方の側に順次配置された、アノード触媒層と、および
前記アノード触媒層に配置された、アノード側ガス拡散層と、
を有し、
不純物トラップ部材が、前記カソード触媒層および前記カソード側ガス拡散層との間に、前記アノード触媒層と前記アノード側ガス拡散層との間に、前記カソード触媒層内に、または前記アノード触媒層内に、配置され、
前記カソード触媒層およびアノード触媒層は、フッ素系電解質を含み、
前記不純物トラップ部材は、炭化水素電解質を含む、電解質膜−電極接合体。
An electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane;
A cathode-side gas diffusion layer disposed in the cathode catalyst layer;
An anode catalyst layer sequentially disposed on the other side of the electrolyte membrane; and an anode gas diffusion layer disposed on the anode catalyst layer;
Have
An impurity trap member is disposed between the cathode catalyst layer and the cathode side gas diffusion layer, between the anode catalyst layer and the anode side gas diffusion layer, in the cathode catalyst layer, or in the anode catalyst layer. Placed in
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include a fluorine-based electrolyte,
The impurity trap member is an electrolyte membrane-electrode assembly including a hydrocarbon electrolyte.
前記不純物トラップ部材は、面方向に沿って広がる単一の層の形態でまたは分散した形態で、配置される、請求項1に記載の電解質膜−電極接合体。   2. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the impurity trap members are arranged in a single layer extending in a plane direction or in a dispersed form. 前記不純物トラップ部材は、
(a)触媒層およびガス拡散層との間に、電解質膜の面方向に沿って広がる単一の層の形態で、配置される;
(b)触媒層内に、電解質膜の面方向に沿って広がる単一の層の形態で、配置される;
(c)触媒層内に、厚み方向に伸びた形態で分散して、配置される;または
(d)触媒層内に、塊状または平板状に分散して、配置される、
のいずれの形態で配置される、請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。
The impurity trap member is:
(A) Arranged between the catalyst layer and the gas diffusion layer in the form of a single layer extending along the surface direction of the electrolyte membrane;
(B) disposed in the catalyst layer in the form of a single layer extending along the surface direction of the electrolyte membrane;
(C) Dispersed and disposed in a form extending in the thickness direction in the catalyst layer; or (d) Dispersed and disposed in a lump or plate in the catalyst layer.
The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1 or 2, which is arranged in any form.
電解質膜上に、さらに不純物トラップ部材を配置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein an impurity trap member is further disposed on the electrolyte membrane. 前記不純物トラップ部材に含まれる炭化水素電解質は、超強酸基を有する芳香族系電解質である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrocarbon electrolyte contained in the impurity trap member is an aromatic electrolyte having a super strong acid group. 前記不純物トラップ部材に対する前記触媒層の体積比(=触媒層の体積/不純物トラップ部材の体積の比)が0.01〜10である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein a volume ratio of the catalyst layer to the impurity trap member (= a ratio of a volume of the catalyst layer / a volume of the impurity trap member) is 0.01 to 10. An electrode assembly. 前記カソード触媒層およびアノード触媒層は、貴金属を触媒成分として含有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer contain a noble metal as a catalyst component. 前記貴金属が、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金および銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属または前記金属を含む合金である、請求項7に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane according to claim 7, wherein the noble metal is at least one metal selected from the group consisting of platinum, rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold and silver, or an alloy containing the metal. Electrode assembly. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池。   A fuel cell comprising the electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 8. 請求項9に記載の燃料電池をモータ駆動用電源として搭載した車両。   A vehicle equipped with the fuel cell according to claim 9 as a power source for driving a motor.
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