JP2011175881A - Membrane-electrode assembly - Google Patents

Membrane-electrode assembly Download PDF

Info

Publication number
JP2011175881A
JP2011175881A JP2010039638A JP2010039638A JP2011175881A JP 2011175881 A JP2011175881 A JP 2011175881A JP 2010039638 A JP2010039638 A JP 2010039638A JP 2010039638 A JP2010039638 A JP 2010039638A JP 2011175881 A JP2011175881 A JP 2011175881A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst layer
electrolyte membrane
polymer
ionomer
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010039638A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Wataru Otsu
亘 大津
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2010039638A priority Critical patent/JP2011175881A/en
Publication of JP2011175881A publication Critical patent/JP2011175881A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly that can meet both prevention of crossover and prevention of voltage reduction. <P>SOLUTION: A horizontal axis and vertical axis show Em (storage elastic modulus of polymer electrolyte used therefor)/Ei (storage elastic modulus of polymer electrolyte used for ionomer of catalyst layer) and voltage at 0.1A/cm<SP>2</SP>, respectively. They show that the closer the 1.0 Em/Ei is to, the higher the voltage is, and when Em/Ei is ≤0.7 or ≥2.5, the voltage is low. Thus, if Em/Ei is set to ≥1.0 and ≤1.4, a high voltage can reliably be obtained in low current regions. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、膜電極接合体に関し、より詳細には、固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, and more particularly to a membrane electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell.

従来、例えば特許文献1には、金属触媒にポリマアイオノマー、アルコール系溶媒及び沸点が30〜200℃の極性有機溶媒を混合して触媒層形成用組成物を調製し、調製した触媒層形成用組成物を、電解質膜の両面に直接コーティングして触媒層を形成して膜電極接合体(MEA)を製造する方法が開示されている。MEAの製造に際し、電解質膜と触媒層とをホットプレスする場合、ホットプレス時の温度や圧力が、電解質膜を構成する高分子の物性に悪影響を及ぼすことがある。この点、特許文献1の方法によれば、電解質膜の両面に直接コーティングして触媒層を形成できるので、ホットプレスを省略できる。従って、電解質膜の材質に囚われないMEAの製造が可能となる。例えば、電解質膜を構成する高分子と、ポリマアイオノマーを構成する高分子の各物性を異ならせたMEAを製造することも可能となる。   Conventionally, for example, in Patent Document 1, a composition for forming a catalyst layer is prepared by mixing a polymer ionomer, an alcohol solvent, and a polar organic solvent having a boiling point of 30 to 200 ° C. with a metal catalyst, and the prepared composition for forming a catalyst layer. A method of manufacturing a membrane electrode assembly (MEA) by directly coating an object on both sides of an electrolyte membrane to form a catalyst layer is disclosed. In the production of MEA, when hot pressing the electrolyte membrane and the catalyst layer, the temperature and pressure during hot pressing may adversely affect the physical properties of the polymer constituting the electrolyte membrane. In this regard, according to the method of Patent Document 1, since the catalyst layer can be formed by directly coating both surfaces of the electrolyte membrane, hot pressing can be omitted. Therefore, MEA can be manufactured without being bound by the material of the electrolyte membrane. For example, it is possible to manufacture MEAs in which the physical properties of the polymer constituting the electrolyte membrane and the polymer constituting the polymer ionomer are different.

特開2004−146367号公報JP 2004-146367 A 特開2009−123579号公報JP 2009-123579 A

ところで、異なる物性の高分子でMEAを構成する場合、ガスのクロスオーバーの抑制や、触媒層における反応性向上のために、電解質膜とポリマアイオノマーとにガス透過性の異なる高分子を用いることが望ましい。具体的に、電解質膜には、ガスのクロスオーバーを少なくするためにガス透過性の低い(ガス遮断性の高い)高分子を用いることが望ましい。また、ポリマアイオノマーには、触媒層における反応性を向上させるためにガス透過性の高い(ガス遮断性の低い)高分子を用いることが望ましい。   By the way, when the MEA is composed of polymers having different physical properties, polymers having different gas permeability may be used for the electrolyte membrane and the polymer ionomer in order to suppress gas crossover and improve the reactivity in the catalyst layer. desirable. Specifically, for the electrolyte membrane, it is desirable to use a polymer having low gas permeability (high gas barrier property) in order to reduce gas crossover. For the polymer ionomer, it is desirable to use a polymer having high gas permeability (low gas barrier property) in order to improve the reactivity in the catalyst layer.

しかしながら、ガス透過性の異なる高分子でMEAを構成する場合、電解質膜とポリマアイオノマーの界面においてプロトンパスが不連続となることが考えられる。プロトンパスが不連続となった場合、プロトンがスムーズに移動できず、結果として電池電圧が低下する可能性がある。この点に関し、上記特許文献1には何ら触れられていない。従って、ガス透過性の異なる高分子でMEAを構成する場合、電圧低下の抑制ための改良の余地があった。   However, when the MEA is composed of polymers having different gas permeability, it is considered that the proton path is discontinuous at the interface between the electrolyte membrane and the polymer ionomer. When the proton path becomes discontinuous, protons cannot move smoothly, and as a result, the battery voltage may decrease. In this regard, the above Patent Document 1 is not touched at all. Therefore, when the MEA is composed of polymers having different gas permeability, there is room for improvement for suppressing voltage drop.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、クロスオーバーの抑制と、電圧低下の抑制とを両立可能なMEAを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an MEA that can achieve both suppression of crossover and suppression of voltage drop.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、MEAであって、
第1の固体高分子からなる電解質膜と、
前記電解質膜と対向配置され、前記電解質膜との対向面が前記第1の固体高分子よりもガス透過性の高い第2の固体高分子によって被覆された触媒層と、を備え、
前記第2の固体高分子の60℃における貯蔵弾性率に対する前記第1の固体高分子の60℃における貯蔵弾性率の比が、0.7よりも大きく2.5よりも小さいことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is an MEA,
An electrolyte membrane made of a first solid polymer;
A catalyst layer disposed opposite to the electrolyte membrane and coated with a second solid polymer having a gas permeability higher than that of the first solid polymer on a surface facing the electrolyte membrane;
The ratio of the storage elastic modulus at 60 ° C. of the first solid polymer to the storage elastic modulus at 60 ° C. of the second solid polymer is larger than 0.7 and smaller than 2.5. .

第1の発明によれば、電解質膜及び触媒層にガス透過性の異なる高分子を用いた場合であっても、クロスオーバーの抑制と、電圧低下の抑制とを両立できるMEAを提供することができる。   According to the first invention, it is possible to provide an MEA that can achieve both suppression of crossover and suppression of voltage drop even when polymers having different gas permeability are used for the electrolyte membrane and the catalyst layer. it can.

本実施形態のMEAが設けられた燃料電池の断面構成の模式図である。It is a schematic diagram of the cross-sectional structure of the fuel cell provided with MEA of this embodiment. 図1の電解質膜及びカソード触媒層の接合部近傍の拡大模式図である。FIG. 2 is an enlarged schematic view of the vicinity of the junction between the electrolyte membrane and the cathode catalyst layer in FIG. 1. Em(電解質膜に用いる高分子電解質の貯蔵弾性率)/Ei(触媒層のアイオノマーに用いる高分子電解質の貯蔵弾性率)の異なる9種類のMEAの性能評価試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the performance evaluation test of nine types of MEA from which Em (the storage elastic modulus of the polymer electrolyte used for an electrolyte membrane) / Ei (the storage elastic modulus of the polymer electrolyte used for the ionomer of a catalyst layer) differs.

以下、図1〜図3を参照して、本実施の形態の詳細を説明する。
図1は、本実施形態のMEAが設けられた燃料電池の断面構成の模式図である。図1に示すように、燃料電池10は、電解質膜12の両側に、これを挟むようにアノード触媒層14、カソード触媒層16が、それぞれ設けられている。アノード触媒層14の外側には、ガス拡散層18、セパレータ20が順に設けられている。同様に、カソード触媒層16の外側には、ガス拡散層22、セパレータ24が順に設けられている。電解質膜12と、これを挟む一対のアノード触媒層14、カソード触媒層16とにより、MEA26が構成される。MEA26と、ガス拡散層18,22とからMEGA28が構成される。
The details of the present embodiment will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram of a cross-sectional configuration of a fuel cell provided with the MEA of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 is provided with an anode catalyst layer 14 and a cathode catalyst layer 16 on both sides of an electrolyte membrane 12 so as to sandwich the membrane 12. A gas diffusion layer 18 and a separator 20 are provided in this order on the outside of the anode catalyst layer 14. Similarly, a gas diffusion layer 22 and a separator 24 are sequentially provided outside the cathode catalyst layer 16. The MEA 26 is configured by the electrolyte membrane 12 and the pair of anode catalyst layer 14 and cathode catalyst layer 16 sandwiching the electrolyte membrane 12. The MEGA 28 is composed of the MEA 26 and the gas diffusion layers 18 and 22.

電解質膜12は、プロトンをアノード触媒層14からカソード触媒層16へ伝導する役割をもつプロトン交換膜である。電解質膜12は、一般に、側鎖にリン酸基、スルホン酸基やホスホン酸基といった酸性官能基を側鎖に有する炭化水素系又はフッ素系の高分子電解質から構成される。   The electrolyte membrane 12 is a proton exchange membrane having a role of conducting protons from the anode catalyst layer 14 to the cathode catalyst layer 16. The electrolyte membrane 12 is generally composed of a hydrocarbon-based or fluorine-based polymer electrolyte having an acidic functional group such as a phosphoric acid group, a sulfonic acid group, or a phosphonic acid group in the side chain.

炭化水素系又はフッ素系の高分子電解質としては、(i)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子、(ii)主鎖が脂肪族炭化水素からなり、主鎖の一部又は全部の水素原子がフッ素原子で置換された高分子や、(iii)主鎖が芳香環を有する高分子等が挙げられる。また、高分子電解質としては、酸性基を有する高分子電解質、塩基性基を有する高分子電解質のいずれも用いることができる。このうち、酸性基を有する高分子電解質を用いると、発電性能に優れた燃料電池が得られる傾向にあるため好ましい。酸性基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、フェノール性水酸基などが挙げられる。このうち、スルホン酸基又はホスホン酸基が好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。   The hydrocarbon-based or fluorine-based polymer electrolyte includes (i) a hydrocarbon-based polymer in which the main chain is made of an aliphatic hydrocarbon, (ii) a main chain is made of an aliphatic hydrocarbon, and a part of the main chain or Examples include a polymer in which all hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms, and (iii) a polymer in which the main chain has an aromatic ring. As the polymer electrolyte, either a polymer electrolyte having an acidic group or a polymer electrolyte having a basic group can be used. Among these, it is preferable to use a polymer electrolyte having an acidic group because a fuel cell excellent in power generation performance tends to be obtained. Examples of acidic groups include sulfonic acid groups, sulfonimide groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups, phosphoric acid groups, and phenolic hydroxyl groups. Among these, a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is preferable, and a sulfonic acid group is particularly preferable.

このような電解質膜12としては、具体的に、NAFION(デュポン社、登録商標)、FLEMION(旭硝子(株)、登録商標)、ACIPLEX(旭化成ケミカルズ(株)、登録商標)等が挙げられる。   Specific examples of such an electrolyte membrane 12 include NAFION (DuPont, registered trademark), FLEMION (Asahi Glass Co., Ltd., registered trademark), ACIPLEX (Asahi Kasei Chemicals Corp., registered trademark), and the like.

アノード触媒層14、カソード触媒層16は、燃料電池10における電極として機能する層である。アノード触媒層14、カソード触媒層16の両方には、カーボン粒子に担持された触媒が設けられている。また、これらアノード触媒層14、カソード触媒層16には、上記触媒を被覆するようにアイオノマーが設けられている。尚、カソード触媒層16の詳細については後述する。   The anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 are layers that function as electrodes in the fuel cell 10. Both the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 are provided with a catalyst supported on carbon particles. The anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 are provided with ionomers so as to cover the catalyst. Details of the cathode catalyst layer 16 will be described later.

ガス拡散層18,22は、反応ガスや水をその厚み方向に通過可能にする無数の孔を有する多孔質カーボンから構成される。ガス拡散層18,22は、アノード触媒層14、カソード触媒層16に反応ガスを均一に拡散させると共に、MEA26の乾燥を抑制する能を有する。ガス拡散層18,22としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素系多孔体、ポリイミドを炭化したもの、カーボンブラックとフッ素樹脂との混合物やカーボン不織布にフッ素をコートしたもの等が使用できる。   The gas diffusion layers 18 and 22 are made of porous carbon having innumerable pores that allow reaction gas and water to pass through in the thickness direction. The gas diffusion layers 18 and 22 have a function of uniformly diffusing the reaction gas to the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 and suppressing the drying of the MEA 26. As the gas diffusion layers 18 and 22, carbon-based porous materials such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt, carbonized polyimide, a mixture of carbon black and fluororesin, or carbon non-woven fabric coated with fluorine are used. it can.

セパレータ20,24は、電子伝導性を有する材料から構成されている。セパレータ20,24に使用できるこのような材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレス等が挙げられる。セパレータ20のガス拡散層18側の表面には、燃料ガスとしての水素を流通させるための燃料ガス流路が形成されている。同様に、セパレータ24のガス拡散層22側の表面には、酸化剤ガスとしての空気(酸素)を流通させるための酸化剤ガス流路が形成されている。   The separators 20 and 24 are made of a material having electronic conductivity. Examples of such materials that can be used for the separators 20 and 24 include carbon, resin mold carbon, titanium, and stainless steel. On the surface of the separator 20 on the gas diffusion layer 18 side, a fuel gas flow path for circulating hydrogen as a fuel gas is formed. Similarly, an oxidant gas flow path for circulating air (oxygen) as an oxidant gas is formed on the surface of the separator 24 on the gas diffusion layer 22 side.

図1においては、上記のように構成されたMEGA28とその両側に配置された一対のセパレータ20,24を1組のみ図示したが、実際の燃料電池は、MEGA28がセパレータ20,24を介して複数積層されたスタック構造を有している。   In FIG. 1, only one set of the MEGA 28 configured as described above and the pair of separators 20 and 24 arranged on both sides thereof is illustrated. However, in an actual fuel cell, a plurality of MEGAs 28 are interposed via the separators 20 and 24. It has a stacked structure.

図2は、図1の電解質膜12及びカソード触媒層16の接合部近傍の拡大模式図である。尚、アノード触媒層14の構造については、カソード触媒層16と同様であるため、カソード触媒層16の構造の説明をもってアノード触媒層14の構造の説明に代えることとする。   FIG. 2 is an enlarged schematic view of the vicinity of the joint between the electrolyte membrane 12 and the cathode catalyst layer 16 of FIG. Since the structure of the anode catalyst layer 14 is the same as that of the cathode catalyst layer 16, the description of the structure of the cathode catalyst layer 16 will be replaced with the description of the structure of the anode catalyst layer 14.

図2に示すように、カソード触媒層16は、多孔質のカーボン粒子161を含んでいる。カーボン粒子161としては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。   As shown in FIG. 2, the cathode catalyst layer 16 includes porous carbon particles 161. As the carbon particles 161, carbon black is the most common, but in addition, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like, pulverized products thereof, carbon compounds such as carbon nanofiber and carbon nanotube, and the like can be used.

また、図2に示すように、カーボン粒子161の外表面には、触媒粒子162が設けられている。触媒粒子162としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金等が挙げられる。好ましくは、白金、及び白金と例えばルテニウムなど他の金属とからなる合金である。   As shown in FIG. 2, catalyst particles 162 are provided on the outer surface of the carbon particles 161. Examples of the catalyst particles 162 include metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, or alloys thereof. It is done. Preferable are platinum and an alloy made of platinum and another metal such as ruthenium.

また、図2に示すように、カーボン粒子161の外表面には、触媒粒子162を被覆するようにアイオノマー163が設けられている。アイオノマー163としては、プロトン導電性を有する高分子材料であって、例えば電解質膜12として挙げた炭化水素系又はフッ素系の高分子電解質が用いられる。   In addition, as shown in FIG. 2, an ionomer 163 is provided on the outer surface of the carbon particle 161 so as to cover the catalyst particle 162. The ionomer 163 is a polymer material having proton conductivity, and for example, the hydrocarbon-based or fluorine-based polymer electrolyte mentioned as the electrolyte membrane 12 is used.

ところで、触媒粒子162を構成する主な金属は貴金属であり高価である。そのため、特に、触媒粒子162に白金を用いる場合、その使用量を減らすことができれば、燃料電池のコスト低減が期待できる。しかしながら、触媒使用量を減らした場合、各種電池特性の低下が想定される。   By the way, the main metal constituting the catalyst particles 162 is a noble metal and is expensive. Therefore, in particular, when platinum is used for the catalyst particles 162, a reduction in the cost of the fuel cell can be expected if the amount used can be reduced. However, when the amount of catalyst used is reduced, it is assumed that various battery characteristics are deteriorated.

低触媒化による各種電池特性の低下を補償する方法の一つに、アイオノマー163と電解質膜12に用いる高分子電解質の酸素透過性を異ならしめる方法がある。具体的には、酸素透過性の高い高分子電解質をアイオノマー163に、酸素透過性の低い高分子電解質を電解質膜12に、それぞれ用いる方法である。   One of the methods for compensating for the deterioration of various battery characteristics due to the reduction of the catalyst is to make the oxygen permeability of the polymer electrolyte used for the ionomer 163 and the electrolyte membrane 12 different. Specifically, the polymer electrolyte having high oxygen permeability is used for the ionomer 163, and the polymer electrolyte having low oxygen permeability is used for the electrolyte membrane 12, respectively.

酸素透過性の高い高分子電解質をアイオノマー163に用いれば、アイオノマー163に多くの酸素を透過できる。また、酸素透過性の低い高分子電解質を電解質膜12に用いれば、電解質膜12としては、酸素のクロスオーバーを抑制できる。酸素のクロスオーバーを抑制できれば、アノード触媒層14からカソード触媒層16側へプロトンをスムーズに伝導させることも可能となる。従って、酸素透過性の高い高分子電解質をアイオノマー163に、酸素透過性の低い高分子電解質を電解質膜12にそれぞれ用いれば、上述した効果が同時に得られるので、低触媒化による各種電池特性の低下を補償可能となる。   If a polymer electrolyte having high oxygen permeability is used for the ionomer 163, a large amount of oxygen can be transmitted to the ionomer 163. Further, if a polymer electrolyte having low oxygen permeability is used for the electrolyte membrane 12, the electrolyte membrane 12 can suppress oxygen crossover. If oxygen crossover can be suppressed, protons can be smoothly conducted from the anode catalyst layer 14 to the cathode catalyst layer 16 side. Therefore, if the polymer electrolyte having high oxygen permeability is used for the ionomer 163 and the polymer electrolyte having low oxygen permeability is used for the electrolyte membrane 12, the above-described effects can be obtained at the same time. Can be compensated.

しかしながら、実際のところ、酸素透過性の異なる高分子電解質を電解質膜12及びアイオノマー163にそれぞれ適用して作製したMEAは、特に低電流域において、高い電圧値が得られないという問題があった。その理由としては、酸素透過性を異ならしめるためには、電解質膜12及びアイオノマー163に別材料が要求されるところ、特性の大きく異なる別材料を用いると、膜/触媒層の界面でプロトンパスが不連続となることが考えられた。   However, as a matter of fact, the MEA produced by applying polymer electrolytes having different oxygen permeability to the electrolyte membrane 12 and the ionomer 163 has a problem that a high voltage value cannot be obtained particularly in a low current region. The reason for this is that different materials are required for the electrolyte membrane 12 and the ionomer 163 in order to make the oxygen permeability different. However, if different materials having greatly different characteristics are used, a proton path is generated at the membrane / catalyst layer interface. It was thought to be discontinuous.

そこで、本実施の形態では、酸素透過性の異なる高分子電解質のうち、貯蔵弾性率が近いものを電解質膜12及びアイオノマー163にそれぞれ適用することとした。ここで、貯蔵弾性率が近いとは、具体的に、電解質膜12に用いる高分子電解質の貯蔵弾性率をEmとし、アイオノマー163に用いる高分子電解質の貯蔵弾性率をEiとした場合に、Em/Eiが0.7よりも大きく2.5よりも小さい範囲(好ましくは、1.0〜1.4の範囲)にあることを指す。尚、貯蔵弾性率は、動的弾性率とも呼ばれ、ポリマー試験片に対して正弦波状に変化する歪みを与えたときに示す応答を測定して得られる複素弾性率の実数部分として測定できる。   Therefore, in the present embodiment, among the polymer electrolytes having different oxygen permeability, those having a close storage elastic modulus are applied to the electrolyte membrane 12 and the ionomer 163, respectively. Here, when the storage elastic modulus is close, specifically, the storage elastic modulus of the polymer electrolyte used for the electrolyte membrane 12 is Em, and the storage elastic modulus of the polymer electrolyte used for the ionomer 163 is Ei. / Ei is in a range larger than 0.7 and smaller than 2.5 (preferably in a range of 1.0 to 1.4). The storage elastic modulus is also called a dynamic elastic modulus, and can be measured as a real part of a complex elastic modulus obtained by measuring a response when a strain that changes sinusoidally is applied to a polymer test piece.

下表に示す9種類のMEA(実施例1〜3、比較例1〜6)は、酸素透過性及び弾性率の異なる高分子電解質を、電解質膜12及びアイオノマー163にそれぞれ適用して作製したものである。尚、表中の酸素透過係数は、M. Inaba et.al ECS Transactions, 1682) 881-889(2008)を参考に測定し、アイオノマーAを基準(=1.0)とした相対値として示す。また、貯蔵弾性率は、動的粘弾性測定装置を用い60℃Dry雰囲気において測定し、酸素透過係数同様、アイオノマーAを基準とした相対値として示す。

Figure 2011175881
Nine types of MEAs (Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6) shown in the following table were prepared by applying polymer electrolytes having different oxygen permeability and elastic modulus to the electrolyte membrane 12 and the ionomer 163, respectively. It is. The oxygen permeability coefficient in the table is measured with reference to M. Inaba et.al ECS Transactions, 1682) 881-889 (2008), and is shown as a relative value based on ionomer A (= 1.0). The storage elastic modulus is measured in a 60 ° C. Dry atmosphere using a dynamic viscoelasticity measuring apparatus, and is shown as a relative value based on the ionomer A as in the oxygen transmission coefficient.
Figure 2011175881

これら9種類のMEAに対し、性能評価試験を行った。性能評価試験は、両極60℃フル加湿条件下(セル温60℃、アノード60℃、カソード60℃)で行った。図3は、これら9種類のMEAの性能評価試験の結果を示す図である。図3の横軸はEm/Eiを、縦軸は0.1A/cmの時の電圧値をそれぞれ示している。図3から、Em/Eiが1.0に近いほど、電圧が高くなることが分かる。また、Em/Eiが0.7以下の場合や、2.5以上の場合には電圧が低くなることが分かる。従って、1.0以上1.4以下に設定すれば、低電流域において確実に高電圧を得られることが明らかとなった。 A performance evaluation test was performed on these nine types of MEAs. The performance evaluation test was performed under the conditions of full humidification at 60 ° C. for both electrodes (cell temperature 60 ° C., anode 60 ° C., cathode 60 ° C.). FIG. 3 is a diagram showing the results of performance evaluation tests for these nine types of MEAs. The horizontal axis in FIG. 3 represents Em / Ei, and the vertical axis represents the voltage value at 0.1 A / cm 2 . FIG. 3 shows that the voltage becomes higher as Em / Ei is closer to 1.0. It can also be seen that the voltage decreases when Em / Ei is 0.7 or less, or when it is 2.5 or more. Therefore, it has been clarified that if the voltage is set to 1.0 or more and 1.4 or less, a high voltage can be reliably obtained in a low current region.

以上、本実施の形態によれば、Em/Eiが上記範囲となる高分子電解質を、電解質膜12及びアイオノマー163にそれぞれ適用することで、低触媒化による各種電池特性の低下を補償することが可能となる。特に低電流域において、高電圧を得られる。   As described above, according to the present embodiment, by applying the polymer electrolyte in which Em / Ei is in the above range to the electrolyte membrane 12 and the ionomer 163, it is possible to compensate for the deterioration of various battery characteristics due to low catalyst. It becomes possible. In particular, a high voltage can be obtained in a low current region.

尚、本実施の形態においては、カソード触媒層16に着目し、低触媒化による各種電池特性の低下を補償可能なEm/Eiの範囲について説明した。しかし、電解質膜12とアイオノマー163との間に成立する貯蔵弾性率の関係は、電解質膜12とアノード触媒層14のアイオノマーとの間にも成立する。即ち、水素透過性の高い高分子電解質をアノード触媒層14のアイオノマーに、水素透過性の低い高分子電解質を電解質膜12に用いる際に、Em/アノード触媒層14のアイオノマーを上記範囲となるように電解質膜12及びアイオノマー163を選択すれば、本実施の形態同様、低触媒化による各種電池特性の低下の補償が期待できる。   In the present embodiment, focusing on the cathode catalyst layer 16, the range of Em / Ei that can compensate for the deterioration of various battery characteristics due to the reduction in the catalyst has been described. However, the storage elastic modulus relationship established between the electrolyte membrane 12 and the ionomer 163 is also established between the electrolyte membrane 12 and the ionomer of the anode catalyst layer 14. That is, when the polymer electrolyte with high hydrogen permeability is used for the ionomer of the anode catalyst layer 14 and the polymer electrolyte with low hydrogen permeability is used for the electrolyte membrane 12, the ionomer of the Em / anode catalyst layer 14 is in the above range. If the electrolyte membrane 12 and the ionomer 163 are selected, it is possible to expect a reduction in various battery characteristics due to the reduction of the catalyst as in this embodiment.

12 電解質膜
14 アノード触媒層
16 カソード触媒層
26 MEA
161 カーボン粒子
162 触媒粒子
163 アイオノマー
12 Electrolyte membrane 14 Anode catalyst layer 16 Cathode catalyst layer 26 MEA
161 Carbon particles 162 Catalyst particles 163 Ionomer

Claims (1)

第1の固体高分子からなる電解質膜と、
前記電解質膜と対向配置され、前記電解質膜との対向面が前記第1の固体高分子よりもガス透過性の高い第2の固体高分子によって被覆された触媒層と、を備え、
前記第2の固体高分子の60℃における貯蔵弾性率に対する前記第1の固体高分子の60℃における貯蔵弾性率の比が、0.7よりも大きく2.5よりも小さいことを特徴とする膜電極接合体。
An electrolyte membrane made of a first solid polymer;
A catalyst layer disposed opposite to the electrolyte membrane and coated with a second solid polymer having a gas permeability higher than that of the first solid polymer on a surface facing the electrolyte membrane;
The ratio of the storage elastic modulus at 60 ° C. of the first solid polymer to the storage elastic modulus at 60 ° C. of the second solid polymer is larger than 0.7 and smaller than 2.5. Membrane electrode assembly.
JP2010039638A 2010-02-25 2010-02-25 Membrane-electrode assembly Pending JP2011175881A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010039638A JP2011175881A (en) 2010-02-25 2010-02-25 Membrane-electrode assembly

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010039638A JP2011175881A (en) 2010-02-25 2010-02-25 Membrane-electrode assembly

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011175881A true JP2011175881A (en) 2011-09-08

Family

ID=44688557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010039638A Pending JP2011175881A (en) 2010-02-25 2010-02-25 Membrane-electrode assembly

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011175881A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013021627A1 (en) * 2011-08-09 2013-02-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrode for fuel cell, manufacturing method of electrode for fuel cell, polymer electrolyte fuel cell and catalyst ink
JP2016035918A (en) * 2014-08-04 2016-03-17 本田技研工業株式会社 Fuel cell membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013021627A1 (en) * 2011-08-09 2013-02-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrode for fuel cell, manufacturing method of electrode for fuel cell, polymer electrolyte fuel cell and catalyst ink
US9461312B2 (en) 2011-08-09 2016-10-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrode for fuel cell, manufacturing method of electrode for fuel cell, polymer electrolyte fuel cell and catalyst ink
JP2016035918A (en) * 2014-08-04 2016-03-17 本田技研工業株式会社 Fuel cell membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6728127B2 (en) Cathode design for electrochemical cells
Qiu et al. A novel cathode structure with double catalyst layers and low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells
US20220302486A1 (en) Membrane electrode assembly
WO2019069789A1 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer-type fuel cell
JP6332541B1 (en) Electrocatalyst layer
Berber et al. A potential polymer formulation of a durable carbon-black catalyst with a significant fuel cell performance over a wide operating temperature range
WO2022124407A1 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2010073586A (en) Electrolyte membrane-electrode assembly
WO2011096355A1 (en) Membrane electrode structure for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell
JP7310800B2 (en) Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP5755833B2 (en) Anode catalyst layer for fuel cells
JP2011175881A (en) Membrane-electrode assembly
JP2007128665A (en) Electrode catalyst layer for fuel cell, and manufacturing method of membrane-electrode assembly using it
US12021283B2 (en) Electrode for fuel cell having high durability, method for manufacturing same, and membrane-electrode assembly comprising same
WO2017154475A1 (en) Catalyst composition, method for producing polymer electrolyte membrane electrode assembly, and polymer electrolyte membrane electrode assembly
JP5805924B2 (en) Electrolyte membrane-electrode assembly
JP6672622B2 (en) Electrode catalyst layer for fuel cell, method for producing the same, and membrane electrode assembly using the catalyst layer, fuel cell, and vehicle
Xiao et al. Electrochemical Interface Optimization toward Low Oxygen Transport Resistance in High‐Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cells
JP2021163699A (en) Catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
US20190296367A1 (en) Electrode catalyst layer and polymer electrolyte fuel cell
JP6606869B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cell
JP6699094B2 (en) Fuel cell manufacturing method
JP7140256B2 (en) Electrocatalyst layer
JP2013206676A (en) Method of manufacturing membrane electrode assembly and membrane electrode assembly
JP7243350B2 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell