JP2014160671A - Membrane electrode assembly - Google Patents

Membrane electrode assembly Download PDF

Info

Publication number
JP2014160671A
JP2014160671A JP2014086703A JP2014086703A JP2014160671A JP 2014160671 A JP2014160671 A JP 2014160671A JP 2014086703 A JP2014086703 A JP 2014086703A JP 2014086703 A JP2014086703 A JP 2014086703A JP 2014160671 A JP2014160671 A JP 2014160671A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
polymer electrolyte
fuel cell
catalyst
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
JP2014086703A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shunsuke Oki
俊介 大木
Kenichi Toyoshima
剣一 豊島
Naoji Matsumoto
尚司 松本
Masaya Yamamoto
将也 山本
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.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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 Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2014086703A priority Critical patent/JP2014160671A/en
Publication of JP2014160671A publication Critical patent/JP2014160671A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

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
    • 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
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly which exhibits excellent power generation performance even in a low humidification condition.SOLUTION: The membrane electrode assembly of the present invention has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane so as to be opposite to each other and are held between a pair of gas diffusion layers. The membrane electrode assembly is manufactured by a manufacturing method including applying a cathode catalyst ink containing a catalyst carrier in which a catalyst component is carried on a conductive carrier, a polymer electrolyte, and SiOto one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and drying the cathode catalyst ink to obtain a catalyst layer-electrolyte membrane assembly. The average size of SiOin the cathode electrode is 50-500 nm.

Description

本発明は、燃料電池用電極に関する。より詳しくは、イオン伝導性に優れ、特に、低加湿条件下においても高い発電性能を発揮しうる、膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode. More specifically, the present invention relates to a membrane / electrode assembly that is excellent in ion conductivity and that can exhibit high power generation performance even under low humidification conditions.

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

上記のような膜電極接合体を有する固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソードおよびアノード)において、その極性に応じて下記の反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(水素極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトン(水素イオン)および電子となる(2H→4H+4e:反応1)。次に、生成したプロトンは、数個の水分子を伴いながら、電極に含まれる高分子電解質(以下、「アイオノマー」とも称する)、さらに電極と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(酸素極)側の触媒に達する。また、アノード電極で生成した電子は、触媒担持体を構成している導電性担体、さらに電極の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通じてカソード電極に達する。そして、カソード電極に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the membrane electrode assembly as described above, the electrode reaction represented by the following reaction formula is performed on both electrodes (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane according to the polarity. Proceed and get electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (hydrogen electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons (hydrogen ions) and electrons (2H 2 → 4H + + 4e : reaction 1). Next, the generated proton is accompanied by several water molecules, passes through the polymer electrolyte (hereinafter also referred to as “ionomer”) contained in the electrode, and further passes through the solid polymer electrolyte membrane that is in contact with the electrode. Reach the catalyst on the (oxygen electrode) side. Further, the electrons generated at the anode electrode are transferred to the cathode electrode through the conductive carrier constituting the catalyst carrier, the gas diffusion layer in contact with the electrode on the side different from the solid polymer electrolyte membrane, the separator, and the external circuit. Reach. Then, protons and electrons that have reached the cathode electrode react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O: Reaction 2). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

上記の電気化学反応は、触媒−電解質−反応ガスの三相界面で起こる。よって、触媒と電解質との接触面積を増大させるために、通常、触媒の周囲には、固体高分子電解質膜と同様の材料からなる高分子電解質が分散されている。高分子電解質としては、スルホン酸基を持つパーフルオロカーボン系樹脂が汎用されている。このようなパーフルオロカーボン系樹脂は架橋構造を持たず、周囲の水分濃度の環境によって膨潤・収縮しやすい構造となっている。さらに、パーフルオロカーボン系樹脂は、樹脂中の含水率が低下すると、プロトン伝導率が低下する性質を有する。よって、良好なプロトン伝導性(以下、「イオン伝導性」とも称する)を維持するためには、このような樹脂からなる高分子電解質を十分に膨潤する程度に、電極中の水分濃度を保つことが好ましい。   The above electrochemical reaction takes place at the catalyst-electrolyte-reactive gas three-phase interface. Therefore, in order to increase the contact area between the catalyst and the electrolyte, a polymer electrolyte made of the same material as the solid polymer electrolyte membrane is usually dispersed around the catalyst. As the polymer electrolyte, perfluorocarbon-based resins having sulfonic acid groups are widely used. Such a perfluorocarbon-based resin does not have a cross-linked structure, and has a structure that easily swells and shrinks depending on the surrounding moisture concentration environment. Furthermore, perfluorocarbon-based resins have a property that proton conductivity decreases when the water content in the resin decreases. Therefore, in order to maintain good proton conductivity (hereinafter also referred to as “ion conductivity”), the water concentration in the electrode should be maintained to such an extent that the polymer electrolyte made of such a resin is sufficiently swollen. Is preferred.

一般的に、上記のような膜電極接合体において、アノード電極は、燃料ガスの酸化反応に伴うプロトンの移動と同時に水分子がカソード側に移動するために、比較的低加湿条件になることが知られている。一方、カソード電極は電気化学反応によって生じた水により、比較的高加湿条件になる。それでもなお、カソード電極の水分濃度を十分に維持することは困難であり、所望の発電性能を確保するためには、カソード電極に供給される酸化剤ガス(空気)についても、何らかの加湿手段を経てからカソード電極に供給する必要があるのが現状である。   In general, in the membrane electrode assembly as described above, the anode electrode may be in a relatively low humidification condition because water molecules move to the cathode side simultaneously with the movement of protons accompanying the oxidation reaction of the fuel gas. Are known. On the other hand, the cathode electrode is relatively humidified by water generated by the electrochemical reaction. Nevertheless, it is difficult to sufficiently maintain the moisture concentration of the cathode electrode. In order to ensure the desired power generation performance, the oxidant gas (air) supplied to the cathode electrode is also subjected to some humidification means. It is necessary to supply the cathode electrode from the current state.

このような状況下、電極中の水分濃度を維持するための様々な手法が試みられている。例えば、特許文献1には、触媒粒子と、高分子電解質と、層状珪酸塩粒子とからなることを特徴とする触媒層が記載されている。該文献によると、層状珪酸塩粒子の層間に水が保持されるために、優れた自己加湿機能を有し、これにより、発電性能を低下させることなく低加湿運転が可能である、としている。   Under such circumstances, various methods for maintaining the moisture concentration in the electrode have been tried. For example, Patent Document 1 describes a catalyst layer comprising catalyst particles, a polymer electrolyte, and layered silicate particles. According to this document, water is retained between the layers of the layered silicate particles, so that it has an excellent self-humidifying function, thereby enabling a low-humidifying operation without reducing power generation performance.

特開2002−216777号公報JP 2002-216777 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の層状珪酸塩粒子を含む触媒層を以てしても、低加湿条件において、所望の発電性能が得られないという問題点があった。   However, even with the catalyst layer containing the layered silicate particles described in Patent Document 1, there is a problem that desired power generation performance cannot be obtained under low humidification conditions.

そこで本発明は、低加湿条件においても、優れた発電性能を発揮する膜電極接合体を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the membrane electrode assembly which exhibits the outstanding electric power generation performance also in low humidification conditions.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、膜電極接合体のカソード電極中に、SiOを含むイオン伝導補助相を設けることによって、イオン伝導性が著しく向上し、低加湿条件においても優れた発電性能を発揮することを見出した。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that by providing an ion conduction auxiliary phase containing SiO 2 in the cathode electrode of the membrane electrode assembly, ion conductivity is remarkably improved and excellent power generation performance is exhibited even under low humidification conditions. .

すなわち、上記目的を達成するための本発明の膜電極接合体は、アノード電極およびカソード電極が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持した構造を有する。そして、当該膜電極接合体は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる触媒担持体と、高分子電解質と、SiOとを含むカソード用触媒インクを、前記固体高分子電解質膜の一方の面に塗布し、乾燥することによって触媒層−電解質膜接合体を得ることを含む製造方法によって製造されてなり、カソード電極におけるSiOの平均サイズは、50〜500nmであることを特徴とする。 That is, the membrane electrode assembly of the present invention for achieving the above object has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged opposite to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane and are sandwiched between a pair of gas diffusion layers. Have The membrane electrode assembly includes a catalyst carrier in which a catalyst component is supported on a conductive carrier, a polymer electrolyte, and a cathode catalyst ink including SiO 2, and one of the solid polymer electrolyte membranes. It is manufactured by a manufacturing method including obtaining a catalyst layer-electrolyte membrane assembly by applying to a surface and drying, and the average size of SiO 2 in the cathode electrode is 50 to 500 nm.

本発明によれば、カソード電極中に高分子電解質と接するSiOが存在することで、カソード電極中のイオン伝導性が向上し、低加湿条件においても優れた発電性能を発揮しうる。 According to the present invention, the presence of SiO 2 in contact with the polymer electrolyte in the cathode electrode improves the ionic conductivity in the cathode electrode, and can exhibit excellent power generation performance even under low humidification conditions.

本形態の燃料電池用電極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 electrode for fuel cells of this form. 独立粒子を表した図である。It is a figure showing independent particles. 凝集粒子を表した図である。It is a figure showing the aggregated particle. 集塊粒子を表した図である。濃灰色の粒子が1つの凝集粒子を表す。It is a figure showing agglomerated particles. Dark gray particles represent one aggregated particle. 平均サイズを説明するための図である。矢印の端から端までの長さがサイズを表す。It is a figure for demonstrating an average size. The length from the end of the arrow to the end represents the size. 本形態の膜電極接合体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 membrane electrode assembly of this form. 本形態の燃料電池を模式的に表した断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a fuel cell of the present embodiment. 本形態の燃料電池システムを模式的に表した図である。It is a figure showing typically the fuel cell system of this form. 実施例1および比較例1における、電流密度に対するセル電圧およびセル抵抗を示すグラフである。6 is a graph showing cell voltage and cell resistance with respect to current density in Example 1 and Comparative Example 1. 比較例2および比較例3における、電流密度に対するセル電圧およびセル抵抗を示すグラフである。10 is a graph showing cell voltage and cell resistance with respect to current density in Comparative Example 2 and Comparative Example 3. 実施例1における、電極部分の超薄切片の透過型電子顕微鏡写真である。該写真の太線で囲んだ灰色部分が、イオン伝導補助相を表す。2 is a transmission electron micrograph of an ultrathin section of an electrode portion in Example 1. The gray part enclosed with the thick line of this photograph represents an ion conduction auxiliary phase.

以下、本発明の好ましい形態を説明する。本形態は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる触媒担持体と、触媒担持体を被覆する高分子電解質と、高分子電解質に接するイオン伝導補助相と、を含み、イオン伝導補助相の平均サイズは、10nm〜1μmである、燃料電池用電極に関する。以下、図面を参照しながら、本発明を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The present embodiment includes a catalyst carrier in which a catalyst component is supported on a conductive carrier, a polymer electrolyte that covers the catalyst carrier, and an ion conduction auxiliary phase in contact with the polymer electrolyte. The average size relates to an electrode for a fuel cell having a size of 10 nm to 1 μm. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

[電極]
図1は、本形態の燃料電池用電極を模式的に表した断面概略図である。図1では、電極10は、触媒担持体11と、高分子電解質12と、イオン伝導補助相としてのフュームドシリカ13とを含む。触媒担持体11は、カーボンブラック14からなる導電性担体に、触媒成分としての白金15が担持されてなる。そして、触媒担持体11の表面は、高分子電解質12により被覆されている。一方、フュームドシリカ13は、高分子電解質12に接するようにして電極10に分散されている。以下、本発明の燃料電池用電極を構成する部材について詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。
[electrode]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a fuel cell electrode of the present embodiment. In FIG. 1, the electrode 10 includes a catalyst carrier 11, a polymer electrolyte 12, and fumed silica 13 as an ion conduction auxiliary phase. The catalyst carrier 11 is formed by carrying platinum 15 as a catalyst component on a conductive carrier made of carbon black 14. The surface of the catalyst carrier 11 is covered with the polymer electrolyte 12. On the other hand, the fumed silica 13 is dispersed in the electrode 10 so as to be in contact with the polymer electrolyte 12. Hereinafter, although the member which comprises the electrode for fuel cells of this invention is demonstrated in detail, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

(触媒担持体)
触媒担持体は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる。アノード側電極における触媒成分上での電極反応により生じた電子は、導電性担体を通じて外部回路へと導出される。一方、カソード側電極では、電子が外部回路から導電性担体を通じて触媒成分へと供給され、電極反応に供される。
(Catalyst carrier)
The catalyst carrier is formed by carrying a catalyst component on a conductive carrier. Electrons generated by the electrode reaction on the catalyst component in the anode side electrode are led to an external circuit through the conductive carrier. On the other hand, in the cathode side electrode, electrons are supplied from an external circuit to the catalyst component through the conductive carrier and are subjected to an electrode reaction.

導電性担体は、触媒成分を担持する担体であって、導電性を有する。導電性担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるのに充分な比表面積を有し、かつ、充分な電子伝導性を有するものであればよい。導電性担体の組成は、主成分がカーボンであることが好ましい。導電性担体の材質として、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、および人造黒鉛などが挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容できることを意味する。   The conductive carrier is a carrier that supports the catalyst component and has conductivity. Any conductive carrier may be used as long as it has a specific surface area sufficient to support the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electron conductivity. In the composition of the conductive carrier, the main component is preferably carbon. Specific examples of the material for the conductive carrier include carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, “consisting essentially of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3% by mass or less of impurities can be allowed.

導電性担体のBET(Brunauer−Emmet−Teller)比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であれば特に制限はないが、好ましくは100〜1500m/gであり、より好ましくは600〜1000m/gである。導電性担体の比表面積がこのような範囲内にあると、導電性担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御できる。 The BET (Brunauer-Emmet-Teller) specific surface area of the conductive carrier is not particularly limited as long as it is a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 100-1500 m 2 / g, more Preferably it is 600-1000 m < 2 > / g. When the specific surface area of the conductive support is within such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the conductive support and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

導電性担体の平均粒子径についても特に制限はないが、通常は5〜200nmであり、好ましくは10〜100nm程度である。なお、「導電性担体の平均粒子径」の値としては、透過型電子顕微鏡(TEM)による一次粒子径測定法によって算出される値を採用する。   Although there is no restriction | limiting in particular also about the average particle diameter of an electroconductive support | carrier, Usually, it is 5-200 nm, Preferably it is about 10-100 nm. As the value of “average particle diameter of conductive carrier”, a value calculated by a primary particle diameter measurement method using a transmission electron microscope (TEM) is employed.

触媒成分は、上記電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。導電性担体に担持される触媒成分は、電気的化学反応を促進する触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、従来公知の触媒成分を適宜採用できる。触媒成分として、具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属、およびこれらの合金などが挙げられる。これらのうち、触媒活性、耐溶出性などに優れるという観点からは、触媒成分は少なくとも白金を含むことが好ましい。触媒成分として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者によって適宜選択できるが、好ましくは白金が30〜90原子%程度、合金化する他の金属が10〜70原子%程度である。なお、「合金」とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質を有しているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがある。本形態に係る合金は、これらのいずれの形態であってもよい。ここで、合金組成の特定は、ICP発光分析法を用いることで可能である。   The catalyst component has a function of catalyzing the electrochemical reaction. The catalyst component supported on the conductive carrier is not particularly limited as long as it has a catalytic action for promoting an electrochemical reaction, and a conventionally known catalyst component can be appropriately employed. Specific examples of the catalyst component include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Etc. Of these, the catalyst component preferably contains at least platinum from the viewpoint of excellent catalytic activity, elution resistance, and the like. The composition of the alloy in the case of using an alloy as the catalyst component varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but preferably 30 to 90 atomic% of platinum, and other metals to be alloyed It is about 10-70 atomic%. Note that an “alloy” is a general term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There are things that are forming. Any of these forms may be sufficient as the alloy which concerns on this form. Here, the alloy composition can be specified by using an ICP emission analysis method.

触媒成分の形状や大きさは特に制限されず、従来公知の触媒成分と同様の形状および大きさが適宜採用できるが、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。そして、触媒成分粒子の平均粒子径は、好ましくは0.5〜30nmであり、より好ましくは1〜20nmである。触媒成分粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御できる。なお、本発明において、「触媒成分粒子の平均粒子径」の値は、X線回折における触媒成分粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として算出できる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as those of conventionally known catalyst components can be appropriately employed. However, the shape of the catalyst component is preferably granular. And the average particle diameter of a catalyst component particle becomes like this. Preferably it is 0.5-30 nm, More preferably, it is 1-20 nm. When the average particle size of the catalyst component particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. In the present invention, the value of the “average particle diameter of the catalyst component particles” is determined from the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component particles in X-ray diffraction or a transmission electron microscope (TEM) image. It can be calculated as the average value of the particle diameter of the catalyst component.

触媒担持体における導電性担体と触媒成分との含有量の比は、特に制限されない。ただし、触媒成分の含有率(担持量)は、導電性担体100質量%を基準として、好ましくは110〜300質量%であり、より好ましくは130〜250質量%であり、さらに好ましくは150〜200質量%である。触媒成分の含有率が100質量%以上であると、触媒性能が十分に発揮され、ひいては燃料電池の発電性能の向上に寄与しうる。一方、触媒成分の含有率が300質量%以下であると、導電性担体の表面における触媒成分同士の凝集が抑制され、触媒成分が高分散担持されるため、好ましい。なお、上述した含有量の比の値としては、ICP発光分析法により測定される値を採用するものとする。   The ratio of the content of the conductive carrier and the catalyst component in the catalyst carrier is not particularly limited. However, the content (supported amount) of the catalyst component is preferably 110 to 300% by mass, more preferably 130 to 250% by mass, and further preferably 150 to 200% based on 100% by mass of the conductive carrier. % By mass. When the content of the catalyst component is 100% by mass or more, the catalyst performance is sufficiently exerted, which can contribute to the improvement of the power generation performance of the fuel cell. On the other hand, the catalyst component content of 300% by mass or less is preferable because aggregation of the catalyst components on the surface of the conductive support is suppressed and the catalyst components are highly dispersed and supported. In addition, as a value of the ratio of content mentioned above, the value measured by ICP emission spectrometry shall be employ | adopted.

(高分子電解質)
高分子電解質は、電極中のイオン伝導性を向上させる機能を有する。電極に含まれる高分子電解質の具体的な形態に特に制限はなく、燃料電池の技術分野において従来公知の高分子電解質が適宜採用できる。高分子電解質としては、例えば、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質などのイオン交換樹脂が用いられうる。
(Polymer electrolyte)
The polymer electrolyte has a function of improving ion conductivity in the electrode. There is no restriction | limiting in particular in the specific form of the polymer electrolyte contained in an electrode, A conventionally well-known polymer electrolyte can be employ | adopted suitably in the technical field of a fuel cell. As the polymer electrolyte, for example, ion exchange resins such as a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used.

フッ素系高分子電解質としては、具体的には、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)などのパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系高分子電解質が好ましく用いられ、より好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーが用いられる。   Specific examples of fluoropolymer electrolytes include perfluorocarbon sulfones such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid System polymers and the like. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolytes are preferably used, and more preferably perfluorocarbonsulfonic acid-based polymers are used.

炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。なお、上述した高分子電解質は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。   Examples of the hydrocarbon polymer electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, sulfonated poly Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolytes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high. In addition, only 1 type may be used independently for the polymer electrolyte mentioned above, and 2 or more types may be used together.

上述したイオン交換樹脂以外の材料が高分子電解質として用いられてもよい。このような材料としては、例えば、高いプロトン伝導性を有する液体、固体、ゲル状材料などが利用可能であり、リン酸、硫酸、アンチモン酸、スズ酸、ヘテロポリ酸などの固体酸、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたゲル状プロトン導電性材料などが挙げられる。プロトン伝導性と電子伝導性とを併有する混合導電体もまた、高分子電解質として利用できる。   Materials other than the above-described ion exchange resin may be used as the polymer electrolyte. As such materials, for example, liquids, solids, and gel materials having high proton conductivity can be used, and solid acids such as phosphoric acid, sulfuric acid, antimonic acid, stannic acid, and heteropoly acid, phosphoric acid, and the like. Hydrocarbon polymer compound doped with a non-organic acid, organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, gel impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution in polymer matrix And the like proton conductive material. A mixed conductor having both proton conductivity and electron conductivity can also be used as a polymer electrolyte.

高分子電解質のイオン交換容量は、イオン伝導性に優れるという観点から、0.8〜1.5mmol/gであることが好ましく、1.0〜1.5mmol/gであることがより好ましい。なお、高分子電解質の「イオン交換容量」とは、高分子電解質の単位乾燥質量当りのスルホン酸基のmol数を意味する。「イオン交換容量」の値は、高分子電解質分散液の分散媒を加熱乾燥などにより除去して固形の高分子電解質とし、これを中和滴定することにより、算出できる。   The ion exchange capacity of the polymer electrolyte is preferably 0.8 to 1.5 mmol / g, and more preferably 1.0 to 1.5 mmol / g, from the viewpoint of excellent ion conductivity. The “ion exchange capacity” of the polymer electrolyte means the number of moles of sulfonic acid groups per unit dry mass of the polymer electrolyte. The value of “ion exchange capacity” can be calculated by removing the dispersion medium of the polymer electrolyte dispersion by heat drying or the like to obtain a solid polymer electrolyte, and performing neutralization titration.

電極における高分子電解質の含有量についても特に制限はない。ただし、導電性担体の含有量に対する高分子電解質の含有量の質量比(高分子電解質/導電性担体の質量比)は、好ましくは0.5〜2.0であり、より好ましくは0.6〜1.5であり、さらに好ましくは0.8〜1.3である。高分子電解質/導電性担体の質量比が0.8以上であると、電極中の内部抵抗値の抑制という観点から好ましい。一方、高分子電解質/導電性担体の質量比が1.3以下であると、フラッディングの抑制という観点から好ましい。   There is no restriction | limiting in particular also about content of the polymer electrolyte in an electrode. However, the mass ratio of the content of the polymer electrolyte to the content of the conductive carrier (the mass ratio of the polymer electrolyte / the conductive carrier) is preferably 0.5 to 2.0, more preferably 0.6. It is -1.5, More preferably, it is 0.8-1.3. A mass ratio of the polymer electrolyte / conductive support of 0.8 or more is preferable from the viewpoint of suppressing the internal resistance value in the electrode. On the other hand, the polymer electrolyte / conductive support mass ratio is preferably 1.3 or less from the viewpoint of suppressing flooding.

なお、電極中において、高分子電解質は上述の触媒担持体を被覆する形態で存在するが、必ずしも触媒担持体表面の全てを被覆することを要さない。   In the electrode, the polymer electrolyte exists in a form covering the above-described catalyst carrier, but it is not always necessary to coat the entire surface of the catalyst carrier.

(イオン伝導補助相)
イオン伝導補助相は、電極中のイオン伝導性を向上させる役割を果たす。より具体的には、イオン伝導補助相は、保水機能を有する物質からなり、電極触媒層中の高分子電解質と接して存在することにより、電極触媒層中のプロトンの伝導性を向上する働きを担う。
(Ion conduction auxiliary phase)
The ion conduction auxiliary phase plays a role of improving ion conductivity in the electrode. More specifically, the ion conduction auxiliary phase is made of a substance having a water retention function, and exists in contact with the polymer electrolyte in the electrode catalyst layer, thereby improving the conductivity of protons in the electrode catalyst layer. Bear.

イオン伝導補助相を構成する材料としては、水素イオンの伝導補助する機能を有する物質であれば、特に制限はなく、従来公知の材料を適宜使用することができる。なかでも、比較的安価で容易に入手でき、且つ有害性が低い等の観点から、無機酸化物を用いることが好ましい。無機酸化物としては、SiO、TiO、Al、およびZrOからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。例えば、無機酸化物がSiOを含む粒子である場合、該粒子の表面には、表面官能基としてシラノール基(−SiOH)が存在する。シラノール基は親水性の性質を有するので、該粒子の周囲に水分子を保持することができる。したがって、かような粒子が高分子電解質と接するように存在することにより、高分子電解質の水分濃度の保持およびプロトンの伝導を補助することができる。 The material constituting the ion conduction auxiliary phase is not particularly limited as long as it is a substance having a function of assisting conduction of hydrogen ions, and conventionally known materials can be appropriately used. Among these, it is preferable to use an inorganic oxide from the viewpoint of being relatively inexpensive and easily available and having low toxicity. The inorganic oxide preferably includes at least one selected from the group consisting of SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , and ZrO 2 . For example, when the inorganic oxide is a particle containing SiO 2 , a silanol group (—SiOH) exists as a surface functional group on the surface of the particle. Since silanol groups have hydrophilic properties, water molecules can be retained around the particles. Accordingly, the presence of such particles in contact with the polymer electrolyte can assist in maintaining the water concentration of the polymer electrolyte and conducting protons.

イオン伝導補助相の形状は特に制限はなく、粒状、繊維状、および燐片状などの様々な形状をとりうるが、保水性能の観点から、粒状であることが好ましい。なお、本明細書において、「粒状」とは、図2に示すような独立粒子、凝集粒子、および集塊粒子のいずれの形態をも含む概念である。より詳細には、独立粒子とは、図2Aに示すような、略球形の粒子が各々単独で存在する形態を意味する。一方、凝集粒子とは、図2Bに示すような、複数の独立粒子が物理的に連結してなる形態を意味する。また、集塊粒子とは、図2Cに示すような、複数の凝集粒子が互いに接触して集合体を形成してなる形態を意味する。図3C中、濃灰色の粒子が1つの凝集粒子を表す。なお、凝集粒子および集塊粒子は、共に、複数の独立粒子が連結して成る連結体であるという点においては同一の部類に含まれる。これらの形態のうち、凝集粒子または集塊粒子の形態であることが好ましい。これは、独立粒子の粒径が小さい場合には、該独立粒子が導電性担体間に多数入り込むことによって、導電性担体の電気抵抗が増大してしまう可能性があるからである。凝集粒子は、複数の独立粒子が物理的に連結してなり、通常の操作によって独立粒子に分解することはない。よって、粒径が小さな独立粒子であっても、凝集粒子の形態とすることによって、上述のような電気抵抗が増大する可能性は低減される。また、イオン伝導性向上に寄与する表面積が拡大されるという点においても有利である。なお、凝集粒子の製造方法は、特に制限はなく、従来公知の方法により製造されうる。また、各種の市販品を使用しても勿論よい。例えば、無機酸化物粒子の凝集粒子としては、原料を気相中で加水分解させることにより合成されるフュームドシリカ、フュームドチタニア、フュームドアルミナ、およびフュームドジルコニアなどのフュームド無機酸化物などが好適に用いられうる。なかでも、フュームドシリカ、フュームドチタニアを使用することが好ましい。なお、導電性担体の細孔に入り込みにくい程度の大きさの粒径を有するものであれば、独立粒子の形態であっても勿論構わない。この場合の独立粒子は、表面積を大きくするために多孔質粒子であってもよい。   The shape of the ion conduction auxiliary phase is not particularly limited and may be various shapes such as granular, fibrous, and flake shaped, but is preferably granular from the viewpoint of water retention performance. In this specification, “granular” is a concept including any form of independent particles, aggregated particles, and agglomerated particles as shown in FIG. More specifically, the independent particles mean a form in which substantially spherical particles are present individually as shown in FIG. 2A. On the other hand, the aggregated particles mean a form in which a plurality of independent particles are physically connected as shown in FIG. 2B. In addition, the agglomerated particles mean a form in which a plurality of aggregated particles come into contact with each other to form an aggregate as shown in FIG. 2C. In FIG. 3C, dark gray particles represent one aggregated particle. Aggregated particles and agglomerated particles are both included in the same category in that they are connected bodies formed by connecting a plurality of independent particles. Of these forms, the form of aggregated particles or agglomerated particles is preferable. This is because when the particle size of the independent particles is small, a large number of the independent particles enter between the conductive carriers, which may increase the electrical resistance of the conductive carriers. Aggregated particles are formed by physically linking a plurality of independent particles and are not decomposed into independent particles by a normal operation. Therefore, even if it is an independent particle with a small particle diameter, the possibility that the above-mentioned electrical resistance will increase by making it the form of an aggregated particle is reduced. It is also advantageous in that the surface area that contributes to improving ion conductivity is enlarged. In addition, the manufacturing method of an aggregated particle does not have a restriction | limiting in particular, It can manufacture by a conventionally well-known method. Of course, various commercial products may be used. For example, the aggregated particles of inorganic oxide particles include fumed inorganic oxides such as fumed silica, fumed titania, fumed alumina, and fumed zirconia synthesized by hydrolyzing the raw material in the gas phase. It can be suitably used. Of these, fumed silica and fumed titania are preferably used. Of course, it may be in the form of independent particles as long as it has a particle size that is difficult to enter the pores of the conductive carrier. The independent particles in this case may be porous particles in order to increase the surface area.

イオン伝導補助相の平均サイズは、発電性能に著しく支障をきたさない限り、特に制限されることはない。ただし、上述のように、サイズが非常に小さい場合には、導電性担体間に多数入り込み、電気抵抗を増大させる虞があるために、少なくとも10nm以上であることが必要である。そして、平均サイズの下限値は、好ましくは50nm以上であり、より好ましくは100nm以上である。一方、平均サイズの上限値は、電極中で良好に分散するという観点から、少なくとも1μm以下であることが必要である。そして、平均サイズの上限値は、好ましくは500nm以下であり、より好ましくは300nm以下である。なお、本明細書において「平均サイズ」とは、電極の超薄切片を透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用いて観察した際に、数〜数十視野中に観察されるイオン伝導補助相のサイズの平均値を意味する。この際の「サイズ」とは、図3に示すように、イオン伝導補助相の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。   The average size of the ion conduction auxiliary phase is not particularly limited as long as the power generation performance is not significantly affected. However, as described above, when the size is very small, a large number may enter between the conductive carriers and increase the electric resistance. And the lower limit of average size becomes like this. Preferably it is 50 nm or more, More preferably, it is 100 nm or more. On the other hand, the upper limit value of the average size needs to be at least 1 μm or less from the viewpoint of good dispersion in the electrode. And the upper limit of average size becomes like this. Preferably it is 500 nm or less, More preferably, it is 300 nm or less. In this specification, “average size” means ion conduction observed in several to several tens of fields when an ultrathin section of an electrode is observed using an observation means such as a transmission electron microscope (TEM). Mean average size of auxiliary phase. The “size” in this case means the maximum distance among the distances between any two points on the contour line of the ion conduction auxiliary phase, as shown in FIG.

なお、イオン伝導補助相は、電極中における分散具合により、上記の平均サイズの範囲外のものが含まれる可能性がある。よって、上記の平均サイズの測定方法と同様の方法で観察した際に、イオン伝導補助相の全面積のうちの好ましくは20面積%以下、より好ましくは10面積%以下の割合で上記の平均サイズの範囲を逸脱したイオン伝導補助相が存在することは許容される。言い換えると、上記方法で観察した際に、イオン伝導補助相の全面積のうちの好ましくは80〜100面積%で、より好ましくは90〜100面積%の割合で上記の平均サイズの範囲内にあるイオン伝導補助相が存在する。   In addition, an ion conduction auxiliary | assistant phase may contain a thing outside the range of said average size by the dispersion condition in an electrode. Therefore, when observed by the same method as the above average size measurement method, the average size is preferably 20% by area or less, more preferably 10% by area or less of the total area of the ion conduction auxiliary phase. It is permissible for an ion-conducting auxiliary phase to deviate from this range. In other words, when observed by the above method, the total area of the ion conduction auxiliary phase is preferably 80 to 100% by area, more preferably 90 to 100% by area within the above average size range. An ionic conduction auxiliary phase is present.

イオン伝導補助相が、凝集粒子を含む場合、該凝集粒子の平均粒子径は、好ましくは10〜1μmであり、より好ましくは50〜500nmであり、さらに好ましくは100〜300nmである。また、凝集粒子のBET(Brunauer−Emmet−Teller)比表面積は、好ましくは30〜500m/gであり、より好ましくは50〜450m/gであり、さらに好ましくは100〜400m/gである。かような凝集粒子は、イオン伝導性向上に寄与する粒子の表面積が十分に大きいので、発電性能がより向上しうる。 When the ion conduction auxiliary phase includes aggregated particles, the average particle diameter of the aggregated particles is preferably 10 to 1 μm, more preferably 50 to 500 nm, and further preferably 100 to 300 nm. Further, the BET (Brunauer-Emmet-Teller) specific surface area of the aggregated particles is preferably 30 to 500 m 2 / g, more preferably 50 to 450 m 2 / g, and further preferably 100 to 400 m 2 / g. is there. Such agglomerated particles have a sufficiently large surface area that contributes to improving ion conductivity, so that the power generation performance can be further improved.

電極中におけるイオン伝導補助相の含有量(乾燥質量)は、導電性担体の全質量100質量%に対して、好ましくは1〜20質量%であり、より好ましくは3〜15質量%である。電極中にかような量のイオン伝導補助相が含まれることにより、電極における抵抗を上昇させることなく、イオン伝導性を向上しうる。   The content (dry mass) of the ion conduction auxiliary phase in the electrode is preferably 1 to 20% by mass and more preferably 3 to 15% by mass with respect to 100% by mass of the total mass of the conductive support. By including such an amount of the ion conduction auxiliary phase in the electrode, the ion conductivity can be improved without increasing the resistance in the electrode.

イオン伝導補助相は、電極中に存在する高分子電解質中のプロトンの伝導性を向上させるので、高分子電解質に接した状態で存在するが、必ずしも、電極に含まれる全てのイオン伝導補助相が高分子電解質に接することを要しない。しかしながら、より効率的にイオン伝導性を向上させるためには、イオン伝導補助相の全質量100質量%に対して20〜100質量%が高分子電解質と接していることが好ましい。また、イオン伝導補助相は、電極の少なくとも一部に局在化して存在してもよい。よって、反応ガスの入口部分と出口部分とで加湿条件が異なる場合においては、より低加湿な部分にイオン伝導補助相をより多く配することも可能である。しかしながら、電極全体のイオン伝導性を向上させるためには、イオン伝導補助相を均一に配することが好ましい。   The ion conduction auxiliary phase improves the conductivity of protons in the polymer electrolyte present in the electrode, and thus exists in contact with the polymer electrolyte. However, not all ion conduction auxiliary phases contained in the electrode are necessarily present. There is no need to contact the polymer electrolyte. However, in order to improve ion conductivity more efficiently, 20 to 100% by mass is preferably in contact with the polymer electrolyte with respect to 100% by mass of the total mass of the ion conduction auxiliary phase. Further, the ion conduction auxiliary phase may be localized in at least a part of the electrode. Therefore, when the humidification conditions are different between the inlet portion and the outlet portion of the reaction gas, it is possible to arrange more ion conduction auxiliary phases in the lower humidified portion. However, in order to improve the ionic conductivity of the entire electrode, it is preferable to uniformly arrange the ion conduction auxiliary phase.

本形態に係る電極は、従来公知の電極の製造方法などを適宜参照することにより製造できる。好ましい製造方法としては、まず、高分子電解質を溶媒に分散させた高分子電解質分散液(アイオノマー分散液)を調製する。このなかに、イオン伝導補助層となりうる材料、例えば、SiOの凝集粒子を添加して、攪拌混合する。この後、触媒担持体を添加して、ビーズミル、ボールミルなどを用いて、凝集粒子を解砕する。これにより、電極インク内に凝集粒子が適度に分散させることができる。さらに、得られた電極インクを、後述の固体高分子電解質膜に塗布、乾燥することにより、固体高分子電解質膜に隣接する形で電極が形成される。 The electrode which concerns on this form can be manufactured by referring suitably the manufacturing method of a conventionally well-known electrode. As a preferred production method, first, a polymer electrolyte dispersion (ionomer dispersion) in which a polymer electrolyte is dispersed in a solvent is prepared. Among this, the material can be a ion-conductive auxiliary layer, for example, by the addition of aggregated particles of SiO 2, stirring and mixing. Thereafter, a catalyst carrier is added, and the aggregated particles are crushed using a bead mill, a ball mill, or the like. Thereby, the aggregated particles can be appropriately dispersed in the electrode ink. Furthermore, an electrode is formed in a form adjacent to the solid polymer electrolyte membrane by applying and drying the obtained electrode ink on a solid polymer electrolyte membrane described later.

[膜電極接合体]
次に、上記燃料電池用電極を含む、膜電極接合体について説明する。図4は、本形態の膜電極接合体を模式的に表した断面概略図である。
[Membrane electrode assembly]
Next, the membrane electrode assembly including the fuel cell electrode will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view schematically showing the membrane electrode assembly of the present embodiment.

図4に示すように、本発明の膜−電極接合体100は、アノード電極10aおよびカソード電極10c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。この際、アノード電極10aまたはカソード電極10cの少なくとも一方は、上述の燃料電池用電極である。以下、本形態の膜電極接合体に含まれる各構成要素について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   As shown in FIG. 4, in the membrane-electrode assembly 100 of the present invention, the anode electrode 10 a and the cathode electrode 10 c are disposed so as 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. At this time, at least one of the anode electrode 10a or the cathode electrode 10c is the fuel cell electrode described above. Hereinafter, although each component contained in the membrane electrode assembly of this form is demonstrated, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有する高分子電解質から構成され、燃料電池の運転時にアノード電極で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード電極へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
(Solid polymer electrolyte membrane)
The solid polymer electrolyte membrane is composed of a polymer electrolyte having proton conductivity, and has a function of selectively transmitting protons generated at the anode electrode during operation of the fuel cell to the cathode electrode along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane also has a function as a partition for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知の高分子電解質からなる膜が適宜採用できる。この際の高分子電解質は、上述の本形態の電極に含まれる高分子電解質と同様のものを使用することができる。そのため、高分子電解質の具体的な形態の説明はここでは省略する。なお、固体高分子電解質膜に含まれる高分子電解質は、1種単独であってもよいし、2種以上であってもよい。   The specific configuration of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and a membrane made of a polymer electrolyte that is conventionally known in the technical field of fuel cells can be appropriately employed. As the polymer electrolyte in this case, the same polymer electrolyte as that contained in the electrode of the present embodiment described above can be used. Therefore, description of the specific form of the polymer electrolyte is omitted here. In addition, 1 type may be sufficient as the polymer electrolyte contained in a solid polymer electrolyte membrane, and 2 or more types may be sufficient as it.

固体高分子電解質膜の厚さは、膜電極接合体や高分子電解質の特性を考慮して適宜決定され、特に限定はされない。ただし、固体高分子電解質膜の厚さは、好ましくは5〜300μmであり、より好ましくは5〜200μmであり、さらに好ましくは10〜150μmであり、特に好ましくは15〜50μmである。厚さがこのような範囲にあると、製膜時の強度や使用時の耐久性、および使用時の出力特性のバランスが適切に制御できる。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane is appropriately determined in consideration of the characteristics of the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte, and is not particularly limited. However, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is preferably 5 to 300 μm, more preferably 5 to 200 μm, still more preferably 10 to 150 μm, and particularly preferably 15 to 50 μm. When the thickness is in such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

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

ガス拡散層の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照できる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがこのような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御できる。   The material which comprises the base material of a gas diffusion layer is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

ガス拡散電極は、必要に応じて、他の部材(層)をさらに含んでもよい。例えば、触媒層に存在する過剰な水分の排出を促進させてフラッディング現象の発生を抑制するために、ガス拡散層は、カーボン粒子を含むカーボン粒子層を基材の触媒層側に有してもよい。   The gas diffusion electrode may further include another member (layer) as necessary. For example, the gas diffusion layer may have a carbon particle layer containing carbon particles on the catalyst layer side of the base material in order to promote the discharge of excess moisture present in the catalyst layer and suppress the occurrence of the flooding phenomenon. Good.

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

カーボン粒子層は撥水剤を含んでもよい。撥水剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料を用いることが好ましい。   The carbon particle layer may contain a water repellent. Examples of the water repellent include fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples include polypropylene and polyethylene. Among these, it is preferable to use a fluorine-based polymer material because it is excellent in water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

本形態の膜電極接合体は、アノード電極またはカソード電極の少なくとも一方が、上述の燃料電池用電極であればよい。言い換えると、アノード電極またはカソード電極のいずれか一方を、本形態の電極で構成し、残りの一方を、本形態の電極以外で構成することも可能である。この場合、好ましくは、カソード電極が本形態の電極であることが好ましい。カソード電極はアノード電極と比較して、上記電気化学反応によって生じた水により、比較的高加湿条件になり易い。しかしながら、実際には、酸化剤ガスとして外部から取り入れた空気は湿度が低いので、そのまま使用することはできず、何らかの加湿手段を経てから電気化学反応に供する必要があった。ところが、本形態の電極は、従来の電極と比較して著しく優れたイオン伝導性を有するので、これをカソード電極に用いた場合、外部から取り入れた空気を、加湿手段を経ることなくそのまま酸化剤ガスとして使用することができる。これにより、従来まで必須であった酸化剤ガスの加湿装置を配置する必要がなくなるので、燃料システム全体の小型化、低コスト化を図ることができる。なお、アノード電極およびカソード電極の両方におけるイオン伝導性の向上のためには、アノード電極およびカソード電極の両方を本形態の電極とすることがより好ましいことはいうまでもない。   In the membrane electrode assembly of the present embodiment, at least one of the anode electrode and the cathode electrode may be the above-described fuel cell electrode. In other words, any one of the anode electrode and the cathode electrode can be configured by the electrode of the present embodiment, and the remaining one can be configured by an electrode other than the electrode of the present embodiment. In this case, it is preferable that the cathode electrode is an electrode of this embodiment. Compared with the anode electrode, the cathode electrode is likely to be relatively humidified by water generated by the electrochemical reaction. In practice, however, the air taken from the outside as the oxidant gas has a low humidity, so it cannot be used as it is, and has to be subjected to an electrochemical reaction after passing through some humidifying means. However, since the electrode of this embodiment has remarkably superior ionic conductivity as compared with the conventional electrode, when this is used for the cathode electrode, the air taken from outside is directly used as the oxidizing agent without passing through the humidifying means. Can be used as gas. This eliminates the need for an oxidant gas humidifier, which has been indispensable until now, so that the entire fuel system can be reduced in size and cost. Needless to say, in order to improve ion conductivity in both the anode electrode and the cathode electrode, it is more preferable to use both the anode electrode and the cathode electrode as electrodes of this embodiment.

[燃料電池]
次に、上記膜電極接合体を含む、燃料電池について説明する。図5は、本形態の燃料電池を模式的に表した断面概略図である。なお、図5には燃料電池の単セルが図示されている。図5に示す燃料電池200は、上述の膜−電極接合体100を有する。そして、固体高分子形燃料電池200において、膜−電極接合体100は、アノード側セパレータ150aおよびカソード側セパレータ150cからなる一対のセパレータにより挟持されている。ここで、アノード側セパレータ150aのアノード側ガス拡散層140a側表面には、運転時に燃料ガスが流通する燃料ガス流路152aが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。一方、カソード側セパレータ150cのカソード側ガス拡散層140c側の表面には、運転時に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路152cが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。そして、固体高分子形燃料電池200の周囲には、一対のガス拡散電極を包囲するように、ガスケット160が配置されている。以下、本形態の燃料電池に含まれる各構成要素について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。
[Fuel cell]
Next, a fuel cell including the membrane electrode assembly will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view schematically showing the fuel cell of the present embodiment. FIG. 5 shows a single cell of the fuel cell. A fuel cell 200 shown in FIG. 5 has the membrane-electrode assembly 100 described above. In the polymer electrolyte fuel cell 200, the membrane-electrode assembly 100 is sandwiched between a pair of separators including an anode side separator 150a and a cathode side separator 150c. Here, the anode side gas diffusion layer 140a side surface of the anode side separator 150a is provided with a fuel gas flow path 152a through which fuel gas flows during operation, and the coolant flows through the opposite surface during operation. A cooling flow path (not shown) is provided. On the other hand, an oxidant gas flow path 152c through which an oxidant gas flows during operation is provided on the cathode side gas diffusion layer 140c side surface of the cathode side separator 150c, and a coolant is provided on the opposite side surface during operation. A cooling flow path (not shown) through which is circulated is provided. A gasket 160 is disposed around the polymer electrolyte fuel cell 200 so as to surround the pair of gas diffusion electrodes. Hereinafter, although each component included in the fuel cell of the present embodiment will be described, the technical scope of the present invention is not limited to the following embodiments.

(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、および冷却剤を互いに分離する隔壁としての機能も有する。そのため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられている。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(Separator)
The separator has a function of electrically connecting 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 wall that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. Therefore, as described above, each separator is provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

(ガスケット)
ガスケットは、一対の電極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、電極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 electrodes and the gas diffusion layer, and has a function of preventing the gas supplied to the electrodes from leaking to the outside. A gas diffusion electrode refers to a joined body of a gas diffusion layer and an electrode. The material constituting the gasket is not particularly limited, but rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), Examples thereof include fluorine polymer materials such as polyhexafluoropropylene and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also in the thickness of a gasket, Preferably it is 50 micrometers-2 mm, More preferably, what is necessary is just to be about 100 micrometers-1 mm.

[燃料電池システム]
次に、上記燃料電池を含む、燃料電池システムについて説明する。図6は、本形態の燃料電池スタックを模式的に表した概略図である。図3に示す燃料電池システム300は、固体高分子形燃料電池を積層してなる燃料電池スタック310を有する。該燃料電池は、カソード電極が上述の燃料電池用電極である。燃料電池スタック310には、燃料ガスを供給する、燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを供給する、酸化剤ガス供給手段とが設けられている。燃料ガス供給手段は、燃料ガスである水素を供給するための水素ボンベ320、ガスの供給流量を調節するための流量調節バルブ330a、および燃料ガスを加湿するための加湿器340aを備える。一方、酸化剤ガス供給手段は、外部空気を供給するためのコンプレッサー350、ガスの供給流量を調節するための流量調節バルブ330cを備える。また、電気系として、インバータ360および負荷370を備える。その他、負荷に伝送する電力、ガスの供給量、加湿量、または燃料電池スタックの温度などを制御する制御系(図示せず)を備える。本形態の燃料電池用電極をカソード電極として用いた燃料電池は、イオン伝導性に優れ、低加湿条件下であっても優れた発電性能を発揮できる。よって、図6に示す形態のように、酸化剤ガス供給手段に、酸化剤ガスを加湿する手段を含まなくても、燃料電池の運転が可能であり、十分な電力を供給することができる。
[Fuel cell system]
Next, a fuel cell system including the fuel cell will be described. FIG. 6 is a schematic view schematically showing the fuel cell stack of the present embodiment. A fuel cell system 300 shown in FIG. 3 has a fuel cell stack 310 formed by stacking polymer electrolyte fuel cells. In the fuel cell, the cathode electrode is the above-described fuel cell electrode. The fuel cell stack 310 is provided with fuel gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas supply means for supplying oxidant gas. The fuel gas supply means includes a hydrogen cylinder 320 for supplying hydrogen as a fuel gas, a flow rate adjusting valve 330a for adjusting the gas supply flow rate, and a humidifier 340a for humidifying the fuel gas. On the other hand, the oxidant gas supply means includes a compressor 350 for supplying external air, and a flow rate adjusting valve 330c for adjusting the gas supply flow rate. In addition, an inverter 360 and a load 370 are provided as an electrical system. In addition, a control system (not shown) for controlling power to be transmitted to the load, gas supply amount, humidification amount, fuel cell stack temperature, and the like is provided. A fuel cell using the fuel cell electrode of this embodiment as a cathode electrode has excellent ion conductivity and can exhibit excellent power generation performance even under low humidification conditions. Therefore, as shown in FIG. 6, the fuel cell can be operated and sufficient electric power can be supplied even if the oxidant gas supply means does not include means for humidifying the oxidant gas.

[車両]
上述した本発明の燃料電池や燃料電池スタックを搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。本発明の燃料電池や燃料電池スタックは、特に低加湿条件下における出力性能に非常に優れており、高出力を要求される車両用途に適している。
[vehicle]
A vehicle equipped with the above-described fuel cell or fuel cell stack of the present invention is also included in the technical scope of the present invention. The fuel cell and fuel cell stack of the present invention are extremely excellent in output performance particularly under low humidification conditions, and are suitable for vehicle applications that require high output.

[燃料電池の運転方法]
さらに、本発明は、上記燃料電池の運転方法を提供する。上述したように、本形態の電極は、保水性を有するため、イオン伝導性に優れる。よって、この電極を有する燃料電池は、特に、低加湿条件下において、優れた発電性能を有する。そこで、アノード電極またはカソード電極が本形態の電極である燃料電池に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを低加湿条件で供給して燃料電池を運転することによって、本発明の効果がより顕著なものとなる。
[Operating method of fuel cell]
Furthermore, the present invention provides a method for operating the fuel cell. As described above, since the electrode of this embodiment has water retention, the ion conductivity is excellent. Therefore, the fuel cell having this electrode has excellent power generation performance, particularly under low humidification conditions. Therefore, by operating the fuel cell by supplying fuel gas or oxidant gas to the fuel cell in which the anode electrode or the cathode electrode is an electrode of this embodiment under low humidification conditions, the effect of the present invention is more remarkable. Become.

本発明の燃料電池の運転方法は、アノード電極が本形態の電極である場合に、燃料ガスを相対湿度20〜100%の条件で供給し、カソード電極が本形態の電極である場合に、酸化剤ガスを相対湿度0〜40%の条件で供給することを特徴とする。燃料ガスの相対湿度は、相対湿度30%以上であることが好ましいが、本発明の電極を用いれば相対加湿50%以下でも良好に発電することができる。一方、酸化剤ガスの相対湿度は、従来は高くしないと良好に発電できなかったが、本発明の電極を用いることにより、相対湿度40%以下、さらには相対湿度30%以下でも良好に発電することができる。なお、燃料ガスまたは酸化剤ガスの相対湿度は、ガス流路のセルへの入り口付近における相対湿度とする。   When the anode electrode is the electrode of this embodiment, the fuel cell operating method of the present invention supplies the fuel gas at a relative humidity of 20 to 100% and the oxidation is performed when the cathode electrode is the electrode of this embodiment. The agent gas is supplied under the condition of relative humidity of 0 to 40%. The relative humidity of the fuel gas is preferably 30% or more, but if the electrode of the present invention is used, it is possible to generate power well even when the relative humidity is 50% or less. On the other hand, unless the relative humidity of the oxidant gas is conventionally high, power generation cannot be performed satisfactorily, but by using the electrode of the present invention, power generation is performed well even at a relative humidity of 40% or less, and even at a relative humidity of 30% or less. be able to. The relative humidity of the fuel gas or oxidant gas is the relative humidity in the vicinity of the entrance to the cell of the gas flow path.

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

この運転方法のうち、好ましくは、カソード電極が本形態の電極であり、酸化剤ガスを相対湿度0〜40%の条件で供給する。「酸化剤ガスの相対湿度が0〜40%で供給する」ということは、すなわち、「酸化剤ガスとしての外部空気を無加湿のまま供給する」ことが可能であることを意味する。本形態の電極は、従来の電極と比較して、より厳しい低加湿条件下においても優れた発電性能を発揮することができる。よって、相対湿度がかような範囲にある酸化剤ガスを供給した際に、本発明の効果がより一層顕著なものとなる。   Of these operating methods, the cathode electrode is preferably the electrode of this embodiment, and the oxidant gas is supplied under conditions of relative humidity of 0 to 40%. “Supplying the relative humidity of the oxidant gas at 0 to 40%” means that it is possible to “supply the external air as the oxidant gas without being humidified”. The electrode of this embodiment can exhibit excellent power generation performance even under more severe low humidification conditions as compared with the conventional electrode. Therefore, the effect of the present invention becomes even more remarkable when an oxidizing gas having a relative humidity in such a range is supplied.

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

以下の実施例および比較例では、イオン伝導補助相の有無による、低加湿条件下での発電性能および触媒層中のアイオノマー抵抗を評価した。具体的には、実施例1および比較例1〜3の燃料電池用電極を、下記のようにして作製した。   In the following Examples and Comparative Examples, the power generation performance under low humidification conditions and the ionomer resistance in the catalyst layer were evaluated depending on the presence or absence of an ion conduction auxiliary phase. Specifically, the fuel cell electrodes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were produced as follows.

[実施例1]
(1)アノード用触媒インクの調製
導電性担体としてのカーボンブラック(ケッチェンブラック(登録商標)EC)に、白金を触媒成分として担持した触媒担持体(白金含有率46質量%、比表面積314m/g)7g、高分子電解質分散液であるナフィオン(登録商標、デュポン社製)分散液D−2020(イオン交換容量1.0mmol/g、電解質含有率20質量%)15.3g(導電性担体質量を1としたときの高分子電解質の質量比は0.9)、イオン交換水78.3g、1−プロパノール48.6gを、ビーズミルを用いて分散混合することで、アノード用触媒インクとした。
[Example 1]
(1) Preparation of catalyst ink for anode Catalyst support in which platinum is supported as a catalyst component on carbon black (Ketjen Black (registered trademark) EC) as a conductive carrier (platinum content: 46 mass%, specific surface area: 314 m 2 / G) 7 g, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) dispersion D-2020 (ion exchange capacity 1.0 mmol / g, electrolyte content 20% by mass) 15.3 g (conductive carrier) The mass ratio of the polymer electrolyte when the mass was 1 was 0.9), 78.3 g of ion-exchanged water, and 48.6 g of 1-propanol were dispersed and mixed using a bead mill to obtain an anode catalyst ink. .

(2)カソード用触媒インクの調製
アノード側触媒インクに用いたものと同様の材料に、SiO微粒子(独立粒子径100nm、BET比表面積300m/g)0.19gを添加して、ビーズミルを用いて分散混合することで、カソード用触媒インクとした。このとき、導電性担体質量を1としたときのSiO微粒子の重量は0.05となる。
(2) Preparation of Cathode Catalyst Ink 0.19 g of SiO 2 fine particles (independent particle diameter of 100 nm, BET specific surface area of 300 m 2 / g) are added to the same material as that used for the anode side catalyst ink, and a bead mill is prepared. By using and dispersing and mixing, a cathode catalyst ink was obtained. At this time, the weight of the SiO 2 fine particles when the conductive carrier mass is 1 is 0.05.

(3)電解質膜への触媒インクの塗布
固体高分子電解質膜であるナフィオン(登録商標、デュポン社製)NR−211(厚さ25μm)の一方の面に前記アノード用触媒インクを、もう一方の面にカソード用触媒インクを、スプレー方式の塗布装置を用いて5cm×5cmの大きさでそれぞれ塗布し、乾燥させることで触媒層を形成して触媒層−電解質膜接合体とした。このときの触媒層における白金量は、アノード、カソードとも0.35mg/cmとした。
(3) Application of catalyst ink to electrolyte membrane The catalyst ink for anode is applied to one surface of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) NR-211 (thickness 25 μm) which is a solid polymer electrolyte membrane. Cathode catalyst ink was applied to the surface in a size of 5 cm × 5 cm using a spray-type coating device, and dried to form a catalyst layer to obtain a catalyst layer-electrolyte membrane assembly. The amount of platinum in the catalyst layer at this time was 0.35 mg / cm 2 for both the anode and the cathode.

(4)評価用単セルの組立
前記触媒層−電解質膜接合体を挟んで、2枚のガス拡散層(GDL25BC、SGLカーボンジャパン社製)をカーボン粒子層が対向するように重ねて膜−電極接合体とし、これを2枚のグラファイト製セパレータ、2枚の金メッキしたステンレススチール製集電板、2枚のステンレススチール製エンドプレートの順序で挟持し、評価用単セルとした。
(4) Assembly of single cell for evaluation Two gas diffusion layers (GDL25BC, manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd.) are stacked with the catalyst layer-electrolyte membrane assembly sandwiched therebetween so that the carbon particle layer faces each other, and the membrane-electrode A joined body was formed, and this was sandwiched in the order of two graphite separators, two gold-plated stainless steel current collector plates, and two stainless steel end plates to form a single cell for evaluation.

[比較例1]
(2)カソード用触媒インクの調製において、SiO微粒子を添加しなかったことを除いては、実施例1と同様の方法で、評価用単セルを作製した。
[Comparative Example 1]
(2) A single cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that no SiO 2 fine particles were added in the preparation of the catalyst ink for cathode.

[比較例2]
(2)カソード用触媒インクの調製において、イオン伝導補助相としてSiOの独立粒子(独立粒子径2〜3nm)を用いた。また、(3)電解質膜への触媒インクの塗布において、固体高分子電解質膜としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)分散液D−2020をキャストして作製した電解質膜(厚さ15μm)を用いた。これらの変更を除いては、実施例1と同様の方法で、評価用単セルを作製した。
[Comparative Example 2]
(2) In the preparation of the cathode catalyst ink, SiO 2 independent particles (independent particle diameter of 2 to 3 nm) were used as the ion conduction auxiliary phase. In addition, (3) in the application of the catalyst ink to the electrolyte membrane, an electrolyte membrane (thickness 15 μm) prepared by casting Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) dispersion D-2020 as the solid polymer electrolyte membrane is used. It was. Except for these changes, an evaluation unit cell was produced in the same manner as in Example 1.

[比較例3]
(2)カソード用触媒インクの調製において、SiOの独立粒子を添加しなかったことを除いては、比較例2と同様の方法で、評価用単セルを作製した。
[Comparative Example 3]
(2) A single cell for evaluation was produced in the same manner as in Comparative Example 2 except that the independent particles of SiO 2 were not added in the preparation of the cathode catalyst ink.

<触媒層中のアイオノマー抵抗の測定>
前記評価用単セルにて、セル温度30℃とし、アノード側に相対湿度100%の水素,カソード側に相対湿度100%の窒素を流し、アイオノマー抵抗を測定した。そして、EIS(電気化学インピーダンススペクトル法)で得られた結果をコール−コールプロットして解析した結果からアイオノマー抵抗を導出した。実施例1および比較例1の結果を下記表1に、比較例2および比較例3の結果を下記表2に示す。
<Measurement of ionomer resistance in catalyst layer>
In the single cell for evaluation, the cell temperature was set to 30 ° C., hydrogen having a relative humidity of 100% was supplied to the anode side, and nitrogen having a relative humidity of 100% was supplied to the cathode side, and ionomer resistance was measured. Then, ionomer resistance was derived from the results obtained by Cole-Cole plot analysis of the results obtained by EIS (electrochemical impedance spectrum method). The results of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below, and the results of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 are shown in Table 2 below.

表1より、イオン伝導補助相を含む実施例1は、イオン伝導補助相を含まない比較例1と比べて、アイオノマー抵抗が低減されたことが示された。また、表2では、SiOの微細な独立粒子を含む比較例2の方が、比較例3と比べてアイオノマー抵抗が上昇した。これは、非導電性であるSiO微細粒子が、導電性担体の細孔に入り込み、導電性担体の電気抵抗を増大させたことによるものと考えられた。 From Table 1, it was shown that the ionomer resistance was reduced in Example 1 including the ion conduction auxiliary phase as compared with Comparative Example 1 not including the ion conduction auxiliary phase. In Table 2, the ionomer resistance increased in Comparative Example 2 containing fine independent particles of SiO 2 compared to Comparative Example 3. This was thought to be due to the non-conductive SiO 2 fine particles entering the pores of the conductive support and increasing the electrical resistance of the conductive support.

<発電性能の評価>
前記評価用単セルにて、セル温度80℃とし、アノード側に相対湿度20%の水素,カソード側に相対湿度20%の空気を流した。そして、絶対圧力200kPaの加圧条件下で、アノード側から水素を4リットル/分、カソード側から空気を8リットル/分で供給することにより発電性能を評価した。実施例1および比較例1の結果を図3に、また、比較例2および比較例3の結果を図4に示す。
<Evaluation of power generation performance>
In the single cell for evaluation, the cell temperature was set to 80 ° C., hydrogen having a relative humidity of 20% was supplied to the anode side, and air having a relative humidity of 20% was supplied to the cathode side. The power generation performance was evaluated by supplying hydrogen from the anode side at 4 liters / minute and air from the cathode side at 8 liters / minute under a pressurized condition of 200 kPa absolute pressure. The results of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. 3, and the results of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 are shown in FIG.

図3によると、イオン伝導補助相を含む実施例1は、イオン伝導補助相を含まない比較例1と比べて、セル電圧が向上したことが示された。なお、セル抵抗は、実施例1と比較例1とではほとんど差がなかった。一方、図4によると、SiOの微細な独立粒子を含む比較例2は、比較例3と比べてセル抵抗が増大したために、セル電圧の低下が認められた。 According to FIG. 3, Example 1 including the ion conduction auxiliary phase showed that the cell voltage was improved as compared with Comparative Example 1 not including the ion conduction auxiliary phase. The cell resistance was almost the same between Example 1 and Comparative Example 1. On the other hand, according to FIG. 4, since the cell resistance increased in Comparative Example 2 containing fine independent particles of SiO 2 as compared with Comparative Example 3, a decrease in cell voltage was observed.

<触媒層の観察>
実施例1で作製した触媒層部分の超薄切片を切り出し、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察した。TEM写真を図9に示す。図9によると、濃灰色の微細粒子として観察される白金粒子が担持されたカーボンブラックが確認できる。そして、カーボンブラックの隙間部分に、薄灰色のイオン伝導補助相が確認できる。なお、高分子電解質は、この写真では確認できないが、カーボンブラックおよびイオン伝導補助相を被覆した状態で存在するものと考えられる。
<Observation of catalyst layer>
An ultrathin section of the catalyst layer portion prepared in Example 1 was cut out and observed using a transmission electron microscope (TEM). A TEM photograph is shown in FIG. According to FIG. 9, carbon black carrying platinum particles observed as dark gray fine particles can be confirmed. And the light gray ion conduction auxiliary phase can be confirmed in the gap part of carbon black. Although the polymer electrolyte cannot be confirmed in this photograph, it is considered that the polymer electrolyte is present in a state where carbon black and an ion conduction auxiliary phase are coated.

10 電極、
10a アノード電極、
10c カソード電極、
11 触媒担持体、
12 高分子電解質、
13 イオン伝導補助相、
14 導電性担体、
15 触媒成分、
100 膜−電極接合体、
110 固体高分子電解質膜、
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 燃料電池、
300 燃料電池システム、
310 燃料電池スタック、
320 水素ボンベ、
330a、330c 流量調整バルブ、
340a 加湿器、
350 コンプレッサー、
360 インバータ、
370 負荷。
10 electrodes,
10a anode electrode,
10c cathode electrode,
11 catalyst carrier,
12 Polyelectrolyte,
13 Ionic conduction auxiliary phase,
14 conductive carrier,
15 catalyst components,
100 membrane-electrode assembly,
110 solid polymer electrolyte membrane,
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 fuel cells,
300 fuel cell system,
310 fuel cell stack,
320 hydrogen cylinder,
330a, 330c Flow rate adjusting valve,
340a humidifier,
350 compressor,
360 inverter,
370 Load.

Claims (4)

アノード電極およびカソード電極が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる膜電極接合体において、
導電性担体に触媒成分が担持されてなる触媒担持体と、高分子電解質と、SiOとを含むカソード用触媒インクを、前記固体高分子電解質膜の一方の面に塗布し、乾燥することによって触媒層−電解質膜接合体を得ることを含む製造方法によって製造されてなり、
前記カソード電極における前記SiOの平均サイズは、50〜500nmである、膜電極接合体。
In the membrane electrode assembly in which the anode electrode and the cathode electrode are disposed opposite to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane and sandwiched between the gas diffusion layers,
A cathode catalyst ink containing a catalyst carrier in which a catalyst component is supported on a conductive carrier, a polymer electrolyte, and SiO 2 is applied to one surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried. Manufactured by a manufacturing method including obtaining a catalyst layer-electrolyte membrane assembly,
The membrane electrode assembly in which the average size of the SiO 2 in the cathode electrode is 50 to 500 nm.
請求項1に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータと、を有する燃料電池。
A membrane electrode assembly according to claim 1;
A fuel cell having a pair of separators each including 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, sandwiching the membrane electrode assembly .
前記酸化剤ガスを相対湿度0〜40%の条件でガス流路に供給する、請求項2に記載の燃料電池の運転方法。   The method of operating a fuel cell according to claim 2, wherein the oxidant gas is supplied to the gas flow path under a condition of a relative humidity of 0 to 40%. 請求項2に記載の燃料電池を積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する、燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する、酸化剤ガス供給手段と、を有し、
前記酸化剤ガス供給手段は酸化剤ガスを加湿する手段を含まない、燃料電池システム。
A fuel cell stack formed by stacking the fuel cells according to claim 2;
Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell stack;
An oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack,
The oxidant gas supply means does not include means for humidifying the oxidant gas.
JP2014086703A 2014-04-18 2014-04-18 Membrane electrode assembly Pending JP2014160671A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014086703A JP2014160671A (en) 2014-04-18 2014-04-18 Membrane electrode assembly

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014086703A JP2014160671A (en) 2014-04-18 2014-04-18 Membrane electrode assembly

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008303228A Division JP2010129397A (en) 2008-11-27 2008-11-27 Electrode for fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014160671A true JP2014160671A (en) 2014-09-04

Family

ID=51612190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014086703A Pending JP2014160671A (en) 2014-04-18 2014-04-18 Membrane electrode assembly

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014160671A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020031479A1 (en) * 2018-08-09 2020-02-13 三井金属鉱業株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cells and solid polymer fuel cell using same

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06111827A (en) * 1992-09-25 1994-04-22 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Polymer solid-electrolyte fuel cell
JP2002289201A (en) * 2001-03-26 2002-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell
JP2008027847A (en) * 2006-07-25 2008-02-07 Sharp Corp Solid polymer fuel cell, and electronic equipment using it
JP2009070584A (en) * 2007-09-10 2009-04-02 Fujifilm Corp Membrane electrode assembly and fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06111827A (en) * 1992-09-25 1994-04-22 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Polymer solid-electrolyte fuel cell
JP2002289201A (en) * 2001-03-26 2002-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell
JP2008027847A (en) * 2006-07-25 2008-02-07 Sharp Corp Solid polymer fuel cell, and electronic equipment using it
JP2009070584A (en) * 2007-09-10 2009-04-02 Fujifilm Corp Membrane electrode assembly and fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020031479A1 (en) * 2018-08-09 2020-02-13 三井金属鉱業株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cells and solid polymer fuel cell using same
US11652216B2 (en) 2018-08-09 2023-05-16 Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd. Electrode catalyst layer for fuel cells and solid polymer fuel cell using same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10923752B2 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing same, and fuel cell comprising same
JP5298566B2 (en) Membrane electrode assembly
JPWO2005106994A1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using the same
JP2007141588A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell using it
JP2020145210A (en) Method of manufacturing electrode, electrode manufactured by the same, membrane-electrode assembly including the same, and fuel cell including the same
US11444288B2 (en) Electrode comprising organic functional metal oxide, manufacturing method therefor, membrane-electrode assembly comprising same, and fuel cell comprising membrane-electrode assembly
WO2020075777A1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cells and solid polymer fuel cell
JP2021093259A (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2008204664A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell using it
JP2007149642A (en) Electrolyte material for polymer electrolyte fuel cell, electrolyte membrane catalyst layer assembly and electrolyte membrane electrode assembly using the same, and fuel cell
JP4823583B2 (en) Polymer membrane / electrode assembly for fuel cell and fuel cell including the same
JP2010073586A (en) Electrolyte membrane-electrode assembly
JP2010129397A (en) Electrode for fuel cell
JP5396730B2 (en) Membrane electrode assembly
CN113632265A (en) Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
WO2019088042A1 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
WO2022124407A1 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2007128665A (en) Electrode catalyst layer for fuel cell, and manufacturing method of membrane-electrode assembly using it
JP2020057516A (en) Electrode layer, membrane electrode assembly including the electrode layer, and fuel cell
JP2006085984A (en) Mea for fuel cell and fuel cell using this
KR20080047765A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, preparing method for same, and fuel cell system comprising same
JP2014160671A (en) Membrane electrode assembly
KR20180036212A (en) Method for manufacturing electrode, electrode manufactured by using the same, membrane-electrode assembly comprising the electrode, and fuel cell comprising the membrane-electrode assembly
JP5328446B2 (en) Catalyst for fuel cell, method for producing the same, and fuel cell
JP5682390B2 (en) Electrode catalyst layer and production method thereof, membrane electrode assembly and production method thereof, polymer electrolyte fuel cell, composite particle and production method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150217

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150413

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20151020

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20160308