JP2021163748A - Membrane electrode assembly - Google Patents

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Abstract

To improve durability of a cathode.SOLUTION: A membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane 4, a first catalyst layer 21, a first gas diffusion layer 22, and at least one first adsorption part 23. The first catalyst layer 21 is arranged on the electrolyte membrane 4. The first catalyst layer 21 has catalytic activity for oxygen reduction reaction. The first gas diffusion layer 22 is arranged on the first catalyst layer 21. The first adsorption part 23 is arranged inside the first gas diffusion layer 22. The first adsorption part 23 contains a catalyst having catalytic activity for oxygen reduction reaction.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、膜電極接合体に関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly.

燃料電池は、膜電極接合体と、一対のセパレータとを有している。膜電極接合体は、電解質膜、アノード及びカソードを有している。アノードに燃料、カソードに酸化剤が供給されることによって、燃料電池は発電する。 The fuel cell has a membrane electrode assembly and a pair of separators. The membrane electrode assembly has an electrolyte membrane, an anode and a cathode. The fuel cell generates electricity by supplying fuel to the anode and an oxidant to the cathode.

特開2015−133337号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-133337

カソードに供給される酸化剤としては、一般的に空気が用いられる。このカソードに供給される空気は、アンモニア、硫化アンモニウム、又はジメチルスルフィドなどの触媒毒を含んでいる。燃料電池の使用に伴い、触媒毒によってカソード触媒の性能が低下してしまうという問題がある。この問題に対して、カソード触媒の性能が低下するまでの期間を長くする、すなわち、カソードの耐久性を向上させることが要望されている。 Air is generally used as the oxidizing agent supplied to the cathode. The air supplied to this cathode contains catalytic toxins such as ammonia, ammonium sulfide, or dimethyl sulfide. With the use of fuel cells, there is a problem that the performance of the cathode catalyst deteriorates due to the catalyst poison. In response to this problem, it is desired to prolong the period until the performance of the cathode catalyst deteriorates, that is, to improve the durability of the cathode.

本発明の課題は、カソードの耐久性を向上させることにある。 An object of the present invention is to improve the durability of the cathode.

本発明のある側面に係る膜電極接合体は、電解質膜と、第1触媒層と、第1ガス拡散層と、少なくとも一つの第1吸着部と、を備えている。第1触媒層は、電解質膜上に配置される。第1触媒層は、酸素還元反応に対する触媒活性を有する。第1ガス拡散層は、第1触媒層上に配置される。第1吸着部は、第1ガス拡散層の内部に配置される。第1吸着部は、酸素還元反応に対する触媒活性を有する触媒を含んでいる。 The membrane electrode assembly according to a certain aspect of the present invention includes an electrolyte membrane, a first catalyst layer, a first gas diffusion layer, and at least one first adsorption portion. The first catalyst layer is arranged on the electrolyte membrane. The first catalyst layer has catalytic activity for the oxygen reduction reaction. The first gas diffusion layer is arranged on the first catalyst layer. The first adsorption portion is arranged inside the first gas diffusion layer. The first adsorption unit contains a catalyst having catalytic activity for the oxygen reduction reaction.

この構成の膜電極接合体を用いれば、カソードの耐久性を向上させることができる。すなわち、この膜電極接合体は、第1ガス拡散層の内部に第1吸着部が配置されている。この第1吸着部は、酸素還元反応に対する触媒活性を有する触媒を含んでいる。このため、第1触媒層に空気を供給する場合において、その空気中に含まれる触媒毒は、第1ガス拡散層を流れる間に第1吸着部の触媒に吸着される。この結果、第1触媒層に到達する触媒毒の量を低減することができ、第1触媒層の触媒活性が低下するまでの期間を長くすることができる。この結果、カソードの耐久性を向上させることができる。 By using the membrane electrode assembly having this configuration, the durability of the cathode can be improved. That is, in this membrane electrode assembly, the first adsorption portion is arranged inside the first gas diffusion layer. This first adsorption unit contains a catalyst having catalytic activity for the oxygen reduction reaction. Therefore, when air is supplied to the first catalyst layer, the catalyst poison contained in the air is adsorbed by the catalyst of the first adsorption portion while flowing through the first gas diffusion layer. As a result, the amount of catalytic poison that reaches the first catalyst layer can be reduced, and the period until the catalytic activity of the first catalyst layer decreases can be lengthened. As a result, the durability of the cathode can be improved.

好ましくは、膜電極接合体は、複数の第1吸着部を備える。複数の第1吸着部は、互いに間隔をあけて配置される。 Preferably, the membrane electrode assembly comprises a plurality of first adsorption portions. The plurality of first suction portions are arranged at intervals from each other.

好ましくは、第1吸着部は、第1触媒層と間隔をあけて配置される。 Preferably, the first adsorption portion is arranged at a distance from the first catalyst layer.

好ましくは、第1ガス拡散層は、第1中央部と、第1中央部を囲む第1外周部と、を有する。 Preferably, the first gas diffusion layer has a first central portion and a first outer peripheral portion surrounding the first central portion.

好ましくは、第1吸着部は、第1中央部の内部に配置され、第1外周部の内部に配置されていない。 Preferably, the first suction portion is arranged inside the first central portion and not inside the first outer peripheral portion.

好ましくは、第1中央部における第1吸着部の含有率は、第1外周部における第1吸着部の含有率よりも大きい。 Preferably, the content of the first adsorption portion in the first central portion is larger than the content of the first adsorption portion in the first outer peripheral portion.

好ましくは、第1中央部における第1吸着部と第1触媒層との距離は、第1外周部における第1吸着部と第1触媒層との距離よりも大きい。 Preferably, the distance between the first adsorption portion and the first catalyst layer in the first central portion is larger than the distance between the first adsorption portion and the first catalyst layer in the first outer peripheral portion.

好ましくは、膜電極接合体は、第2触媒層と、第2ガス拡散層とをさらに備える。第2触媒層は、第1触媒層と反対側において電解質膜上に配置される。第2触媒層は、燃料の酸化反応に対する触媒活性を有する。第2ガス拡散層は、第2触媒層上に配置される。 Preferably, the membrane electrode assembly further comprises a second catalyst layer and a second gas diffusion layer. The second catalyst layer is arranged on the electrolyte membrane on the opposite side of the first catalyst layer. The second catalyst layer has catalytic activity for the oxidation reaction of fuel. The second gas diffusion layer is arranged on the second catalyst layer.

好ましくは、膜電極接合体は、少なくとも一つの第2吸着部をさらに備える。第2吸着部は、第2ガス拡散層の内部に配置される。第2吸着部は、燃料の酸化反応に対する触媒活性を有する触媒を含んでいる。 Preferably, the membrane electrode assembly further comprises at least one second adsorption section. The second adsorption portion is arranged inside the second gas diffusion layer. The second adsorption portion contains a catalyst having catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel.

好ましくは、膜電極接合体は、複数の第2吸着部を備えている。複数の第2吸着部は、互いに間隔をあけて配置される。 Preferably, the membrane electrode assembly comprises a plurality of second adsorption portions. The plurality of second suction portions are arranged at intervals from each other.

好ましくは、第2吸着部は、第2触媒層と間隔をあけて配置される。 Preferably, the second adsorption portion is arranged at a distance from the second catalyst layer.

好ましくは、第2ガス拡散層は、第2中央部と、第2中央部を囲む第2外周部と、を有する。 Preferably, the second gas diffusion layer has a second central portion and a second outer peripheral portion surrounding the second central portion.

好ましくは、第2吸着部は、第2中央部の内部に配置され、第2外周部の内部に配置されていない。 Preferably, the second suction portion is arranged inside the second central portion and not inside the second outer peripheral portion.

好ましくは、第2中央部における第2吸着部の含有率は、第2外周部における第2吸着部の含有率よりも大きい。 Preferably, the content of the second adsorption portion in the second central portion is larger than the content of the second adsorption portion in the second outer peripheral portion.

好ましくは、第2中央部における第2吸着部と第2触媒層との距離は、第2外周部における第2吸着部と第2触媒層との距離よりも大きい。 Preferably, the distance between the second adsorption portion and the second catalyst layer in the second central portion is larger than the distance between the second adsorption portion and the second catalyst layer in the second outer peripheral portion.

本発明によれば、カソードの耐久性を向上させることができる。 According to the present invention, the durability of the cathode can be improved.

燃料電池の断面図。Sectional view of the fuel cell. 膜電極接合体のカソード側の拡大断面図。An enlarged cross-sectional view of the cathode side of the membrane electrode assembly. 膜電極接合体のアノード側の拡大断面図。An enlarged cross-sectional view of the anode side of the membrane electrode assembly. 膜電極接合体の拡大断面図。An enlarged cross-sectional view of a membrane electrode assembly. 変形例に係る膜電極接合体のカソード側の拡大断面図。An enlarged cross-sectional view of the cathode side of the membrane electrode assembly according to the modified example. 変形例に係る膜電極接合体のアノード側の拡大断面図。An enlarged cross-sectional view of the anode side of the membrane electrode assembly according to the modified example. 第1ガス拡散層の平面図。Top view of the first gas diffusion layer. 切断方法を説明するための第1ガス拡散層の平面図。The plan view of the 1st gas diffusion layer for demonstrating the cutting method. 切断方法を説明するための別の実施形態における第1ガス拡散層の平面図。The plan view of the 1st gas diffusion layer in another embodiment for demonstrating the cutting method. 撮影箇所を説明するための膜電極接合体の断面図。A cross-sectional view of a membrane electrode assembly for explaining an imaging location. 第2ガス拡散層の平面図。Top view of the second gas diffusion layer. 変形例に係る電解質の拡大断面図。An enlarged cross-sectional view of the electrolyte according to the modified example.

以下、本実施形態に係る膜電極接合体10を図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係る膜電極接合体10を用いた固体アルカリ形燃料電池100の構成を示す断面図である。なお、固体アルカリ形燃料電池100は、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池(AFC)の一種である。 Hereinafter, the membrane electrode assembly 10 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a solid alkaline fuel cell 100 using the membrane electrode assembly 10 according to the present embodiment. The solid alkaline fuel cell 100 is a type of alkaline fuel cell (AFC) using hydroxide ions as carriers.

(固体アルカリ形燃料電池100)
図1に示すように、固体アルカリ形燃料電池100は、膜電極接合体10、第1セパレータ11、及び第2セパレータ12を備えている。実際に使用する際は、複数の固体アルカリ形燃料電池100がスタックされる。詳細には、複数の膜電極接合体10が第1及び第2セパレータ11、12を介してスタックされる。
(Solid alkaline fuel cell 100)
As shown in FIG. 1, the solid alkaline fuel cell 100 includes a membrane electrode assembly 10, a first separator 11, and a second separator 12. In actual use, a plurality of solid alkaline fuel cells 100 are stacked. Specifically, a plurality of membrane electrode assemblies 10 are stacked via the first and second separators 11 and 12.

(膜電極接合体10)
膜電極接合体10は、カソード2、アノード3、及び電解質膜4を備える。膜電極接合体10は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温(例えば、50℃〜250℃)で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。
(Membrane electrode assembly 10)
The membrane electrode assembly 10 includes a cathode 2, an anode 3, and an electrolyte membrane 4. The membrane electrode assembly 10 generates electricity at a relatively low temperature (for example, 50 ° C. to 250 ° C.) based on the following electrochemical reaction formula. However, in the following electrochemical reaction formula, methanol is used as an example of fuel.

・カソード2: 3/2O+3HO+6e→6OH
・アノード3: CHOH+6OH→6e+CO+5H
・全体 : CHOH+3/2O→CO+2H
・ Cathode 2: 3 / 2O 2 + 3H 2 O + 6e → 6OH
・ Anode 3: CH 3 OH + 6OH → 6e + CO 2 + 5H 2 O
・ Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

(カソード2)
カソード2は、電解質膜4の第1面41側(図1の上面側)に配置されている。カソード2は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。
(Cathode 2)
The cathode 2 is arranged on the first surface 41 side (upper surface side in FIG. 1) of the electrolyte membrane 4. The cathode 2 is an anode generally called an air electrode.

固体アルカリ形燃料電池100の発電中、カソード2には、第1セパレータ11の第1流路111を介して酸素(O)を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード2は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード2の気孔率は特に制限されない。カソード2の厚みは特に制限されないが、例えば10〜200μmとすることができる。 During power generation of the solid alkaline fuel cell 100, an oxidizing agent containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 2 via the first flow path 111 of the first separator 11. As the oxidizing agent, it is preferable to use air, and it is more preferable that the air is humidified. The cathode 2 is a porous body capable of diffusing an oxidizing agent inside. The porosity of the cathode 2 is not particularly limited. The thickness of the cathode 2 is not particularly limited, but can be, for example, 10 to 200 μm.

図2に示すように、カソード2は、第1触媒層21と、第1ガス拡散層22と、複数の第1吸着部23と、を有している。第1触媒層21は、電解質膜4上に配置されている。詳細には、第1触媒層21は、電解質膜4の第1面41上に配置されている。第1触媒層21は、平面視において、矩形状である。第1触媒層21の厚さは、例えば、5〜50μm程度である。 As shown in FIG. 2, the cathode 2 has a first catalyst layer 21, a first gas diffusion layer 22, and a plurality of first adsorption portions 23. The first catalyst layer 21 is arranged on the electrolyte membrane 4. Specifically, the first catalyst layer 21 is arranged on the first surface 41 of the electrolyte membrane 4. The first catalyst layer 21 has a rectangular shape in a plan view. The thickness of the first catalyst layer 21 is, for example, about 5 to 50 μm.

第1触媒層21は、酸素還元反応に対する触媒活性を有している。すなわち、第1触媒層21は、酸素還元反応に対する触媒活性を有する触媒を含んでいる。なお、第1触媒層21に含まれる触媒は、AFCに使用される公知のカソード触媒であればよく、特に限定されない。第1触媒層21に含まれるカソード触媒の例としては、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)等の第8〜10族元素(IUPAC形式での周期表において第8〜10族に属する元素)、Cu、Ag、Au等の第11族元素(IUPAC形式での周期表において第11族に属する元素)、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Coサレン、Niサレン(サレン=N,N’−ビス(サリチリデン)エチレンジアミン)、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード2における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは0.1〜10mg/cm、より好ましくは、0.1〜5mg/cmである。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード2ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン(Pt/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。 The first catalyst layer 21 has a catalytic activity for an oxygen reduction reaction. That is, the first catalyst layer 21 contains a catalyst having catalytic activity for the oxygen reduction reaction. The catalyst contained in the first catalyst layer 21 may be any known cathode catalyst used for AFC, and is not particularly limited. Examples of the cathode catalyst contained in the first catalyst layer 21 include group 8 to 10 elements such as platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) and iron group elements (Fe, Co, Ni). (Elements belonging to Group 8 to 10 in the periodic table of IUPAC format), Group 11 elements such as Cu, Ag, Au (elements belonging to Group 11 in the periodic table of IUPAC format), rhodium phthalocyanine, tetraphenyl Examples include porphyrin, Co-salen, Ni-salen (salen = N, N'-bis (salicylidene) ethylenediamine), silver nitrate, and any combination thereof. The amount of the catalyst supported on the cathode 2 is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 10 mg / cm 2 , more preferably 0.1 to 5 mg / cm 2 . The cathode catalyst is preferably supported on carbon. Preferred examples of the cathode 2 or the catalyst constituting the cathode 2 are platinum-supported carbon (Pt / C), palladium-supported carbon (Pd / C), rhodium-supported carbon (Rh / C), nickel-supported carbon (Ni / C), and the like. Examples thereof include copper-supported carbon (Cu / C) and silver-supported carbon (Ag / C).

第1ガス拡散層22は、第1触媒層21上に配置されている。第1ガス拡散層22は、平面視において、矩形状である。第1ガス拡散層22は、第1触媒層21よりも厚い。第1ガス拡散層22の厚さは、例えば、50〜150μm程度である。 The first gas diffusion layer 22 is arranged on the first catalyst layer 21. The first gas diffusion layer 22 has a rectangular shape in a plan view. The first gas diffusion layer 22 is thicker than the first catalyst layer 21. The thickness of the first gas diffusion layer 22 is, for example, about 50 to 150 μm.

第1ガス拡散層22は、第1セパレータ11の第1流路111内を流れる酸化剤を拡散して第1触媒層21に供給する。第1ガス拡散層22は、電気伝導性を有する。第1ガス拡散層22は、集電部材としても機能する。 The first gas diffusion layer 22 diffuses the oxidant flowing in the first flow path 111 of the first separator 11 and supplies it to the first catalyst layer 21. The first gas diffusion layer 22 has electrical conductivity. The first gas diffusion layer 22 also functions as a current collector.

第1ガス拡散層22は、カーボンペーパー、カーボンクロス、又はカーボンフェルトなどの導電性多孔質材料によって構成することができる。第1ガス拡散層22には、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、又はグラファイトなどの導電性材料と、フッ素樹脂(PTFE、PVDF)などの撥水性材料と、を含むマイクロポーラス層が形成されていてもよい。 The first gas diffusion layer 22 can be made of a conductive porous material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt. Even if the first gas diffusion layer 22 is formed with a microporous layer containing carbon black such as acetylene black or a conductive material such as graphite and a water repellent material such as fluororesin (PTFE, PVDF). good.

第1吸着部23は、第1ガス拡散層22の内部に配置されている。各第1吸着部23は、互いに間隔をあけて配置されている。詳細には、各第1吸着部23は、第1ガス拡散層22の面方向において、互いに間隔をあけて配置される。また、第1吸着部23は、第1触媒層21と間隔をあけて配置されていることが好ましい。なお、第1吸着部23と第1触媒層21とは接触していてもよい。 The first adsorption unit 23 is arranged inside the first gas diffusion layer 22. The first suction portions 23 are arranged at intervals from each other. Specifically, the first adsorption portions 23 are arranged at intervals from each other in the plane direction of the first gas diffusion layer 22. Further, it is preferable that the first adsorption portion 23 is arranged at a distance from the first catalyst layer 21. The first adsorption unit 23 and the first catalyst layer 21 may be in contact with each other.

第1吸着部23は、酸素還元反応に対する触媒活性を有する触媒を含んでいる。なお、第1吸着部23の触媒の材料は、例えば、第1触媒層21の触媒として説明した材料のいずれかとすることができる。好ましくは、第1吸着部23の触媒の材料は、第1触媒層21の触媒の材料と同じである。また、第1吸着部23の触媒は、第1触媒層21の触媒と同様に、カーボンなどの担体に担持されていることが好ましい。 The first adsorption unit 23 contains a catalyst having catalytic activity for the oxygen reduction reaction. The catalyst material of the first adsorption unit 23 can be, for example, any of the materials described as the catalyst of the first catalyst layer 21. Preferably, the material of the catalyst of the first adsorption unit 23 is the same as the material of the catalyst of the first catalyst layer 21. Further, the catalyst of the first adsorption unit 23 is preferably supported on a carrier such as carbon, similarly to the catalyst of the first catalyst layer 21.

上述したようなカソード2は、次のように作製する。まず、第1ガス拡散層22を準備する。次に、第1ガス拡散層22に対して濡れ性を有し、且つエタノール及びIPA成分を含む触媒ペーストを、第1ガス拡散層22に塗布する。そして、この第1ガス拡散層22に塗布した触媒ペーストを、窒素気流中で乾燥させることで、第1吸着部23を含有する第1ガス拡散層22を得ることができる。 The cathode 2 as described above is manufactured as follows. First, the first gas diffusion layer 22 is prepared. Next, a catalyst paste having wettability with respect to the first gas diffusion layer 22 and containing ethanol and an IPA component is applied to the first gas diffusion layer 22. Then, the catalyst paste applied to the first gas diffusion layer 22 is dried in a nitrogen stream to obtain the first gas diffusion layer 22 containing the first adsorption portion 23.

続いて、この第1ガス拡散層22の第1主面上に、第1ガス拡散層22に対して撥水性を有し且つ水を主溶媒とする触媒ペーストを塗布することなどによって、第1触媒層21を形成する。このようにすることによって、第1吸着部23を有するカソード2を得ることができる。 Subsequently, by applying a catalyst paste having water repellency to the first gas diffusion layer 22 and using water as the main solvent on the first main surface of the first gas diffusion layer 22, the first gas diffusion layer 22 is first coated. The catalyst layer 21 is formed. By doing so, the cathode 2 having the first adsorption portion 23 can be obtained.

(アノード3)
図1に示すように、アノード3は、電解質膜4の第2面42側(図1の下面側)に配置されている。アノード3は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。
(Anode 3)
As shown in FIG. 1, the anode 3 is arranged on the second surface 42 side (lower surface side in FIG. 1) of the electrolyte membrane 4. The anode 3 is a cathode generally called a fuel electrode.

固体アルカリ形燃料電池100の発電中、アノード3には、第2セパレータ12の第2流路121を介して、水素原子(H)を含む燃料が供給される。燃料としては、メタノールを用いるのが好ましい。アノード3は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード3の気孔率は特に制限されない。アノード3の厚みは特に制限されないが、例えば10〜500μmとすることができる。 During power generation of the solid alkaline fuel cell 100, fuel containing a hydrogen atom (H) is supplied to the anode 3 via the second flow path 121 of the second separator 12. As the fuel, it is preferable to use methanol. The anode 3 is a porous body capable of diffusing fuel inside. The porosity of the anode 3 is not particularly limited. The thickness of the anode 3 is not particularly limited, but can be, for example, 10 to 500 μm.

燃料は、アノード3において水酸化物イオン(OH)と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。 The fuel may contain a fuel compound capable of reacting with hydroxide ions (OH ) at the anode 3, and may be in the form of either a liquid fuel or a gaseous fuel.

燃料化合物としては、例えば、(i)ヒドラジン(NHNH)、水加ヒドラジン(NHNH・HO)、炭酸ヒドラジン((NHNHCO)、硫酸ヒドラジン(NHNH・HSO)、モノメチルヒドラジン(CHNHNH)、ジメチルヒドラジン((CHNNH、CHNHNHCH)、及びカルボンヒドラジド((NHNHCO)等のヒドラジン類、(ii)尿素(NHCONH)、(iii)アンモニア(NH)、(iv)イミダゾール、1,3,5−トリアジン、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール等の複素環類化合物、(v)ヒドロキシルアミン(NHOH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NHOH・HSO)等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの燃料化合物のうち炭素を含まない化合物(すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等)は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため特に好適である。 Examples of the fuel compound include (i) hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrated hydrazine (NH 2 NH 2 · H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), and hydrazine sulfate (NH). 2 NH 2 · H 2 SO 4 ), monomethylhydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethylhydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), and hydrazines such as carboxylic hydrazine ((NHNH 2 ) 2 CO). Classes, (ii) urea (NH 2 CONH 2 ), (iii) ammonia (NH 3 ), (iv) imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-triazole and other heterocycles. Examples thereof include compounds such as (v) hydroxylamines such as hydroxylamine (NH 2 OH) and hydroxylamine sulfate (NH 2 OH · H 2 SO 4 ), and combinations thereof. Of these fuel compounds, carbon-free compounds (ie, hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, ammonia, hydroxylamine, hydroxylamine sulfate, etc.) are particularly suitable because they do not have the problem of catalytic poisoning by carbon monoxide. be.

燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び/又はアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等)に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。1,3,5−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び/又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば1〜99重量%であり、好ましくは30〜99重量%である。 The fuel compound may be used as a fuel as it is, or may be used as a solution dissolved in water and / or an alcohol (for example, a lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol or isopropanol). For example, among the above fuel compounds, hydrazine, hydrated hydrazine, monomethylhydrazine and dimethylhydrazine are liquids and can be used as they are as liquid fuels. In addition, hydrazine carbonate, hydrazine sulfate, carboxylic hydrazine, urea, imidazole, and 3-amino-1,2,4-triazole, and hydroxylamine sulfate are solid but soluble in water. 1,3,5-triazine and hydroxylamine are solid but soluble in alcohol. Ammonia is a gas but is soluble in water. As described above, the solid fuel compound can be dissolved in water or alcohol and used as a liquid fuel. When the fuel compound is dissolved in water and / or alcohol and used, the concentration of the fuel compound in the solution is, for example, 1 to 99% by weight, preferably 30 to 99% by weight.

また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池100に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。 Further, a hydrocarbon-based liquid fuel containing alcohols such as methanol and ethanol and ethers, a hydrocarbon-based gas such as methane, or pure hydrogen can be used as it is as a fuel. In particular, methanol is preferable as the fuel used in the solid alkaline fuel cell 100 according to the present embodiment. Methanol may be in a gaseous state, a liquid state, or a gas-liquid mixed state.

図3に示すように、アノード3は、第2触媒層31と、第2ガス拡散層32と、複数の第2吸着部33とを有している。第2触媒層31は、電解質膜4上に配置されている。詳細には、第2触媒層31は、電解質膜4の第2面42上に配置されている。すなわち、第2触媒層31は、第1触媒層21と反対側において電解質膜4上に配置されている。第2触媒層31は、平面視において、矩形状である。第2触媒層31の厚さは、例えば、5〜50μm程度である。 As shown in FIG. 3, the anode 3 has a second catalyst layer 31, a second gas diffusion layer 32, and a plurality of second adsorption portions 33. The second catalyst layer 31 is arranged on the electrolyte membrane 4. Specifically, the second catalyst layer 31 is arranged on the second surface 42 of the electrolyte membrane 4. That is, the second catalyst layer 31 is arranged on the electrolyte membrane 4 on the opposite side of the first catalyst layer 21. The second catalyst layer 31 has a rectangular shape in a plan view. The thickness of the second catalyst layer 31 is, for example, about 5 to 50 μm.

第2触媒層31は、燃料の酸化反応に対する触媒活性を有している。すなわち、第2触媒層31は、燃料の酸化反応に対する触媒活性を有する触媒を含んでいる。なお、第2触媒層31に含まれる触媒は、AFCに使用される公知のアノード触媒であればよく、特に限定されない。第2触媒層31に含まれるアノード触媒の例としては、Pt、Ni、Co、Fe、Ru、Sn、及びPd等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード3及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン(Pt/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。 The second catalyst layer 31 has a catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel. That is, the second catalyst layer 31 contains a catalyst having catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel. The catalyst contained in the second catalyst layer 31 may be any known anode catalyst used for AFC, and is not particularly limited. Examples of the anode catalyst contained in the second catalyst layer 31 include metal catalysts such as Pt, Ni, Co, Fe, Ru, Sn, and Pd. The metal catalyst is preferably supported on a carrier such as carbon, but may be in the form of an organic metal complex having a metal atom of the metal catalyst as a central metal, or the organic metal complex may be supported as a carrier. Further, a diffusion layer made of a porous material or the like may be arranged on the surface of the anode catalyst. Preferred examples of the anode 3 and the catalysts constituting the anode 3 are nickel, cobalt, silver, platinum-supported carbon (Pt / C), palladium-supported carbon (Pd / C), rhodium-supported carbon (Rh / C), and nickel-supported carbon. (Ni / C), copper-supported carbon (Cu / C), and silver-supported carbon (Ag / C) can be mentioned.

第2ガス拡散層32は、第2触媒層31上に配置されている。第2ガス拡散層32は、平面視において、矩形状である。第2ガス拡散層32は、第2触媒層31よりも厚い。第2ガス拡散層32の厚さは、例えば、50〜150μm程度である。 The second gas diffusion layer 32 is arranged on the second catalyst layer 31. The second gas diffusion layer 32 has a rectangular shape in a plan view. The second gas diffusion layer 32 is thicker than the second catalyst layer 31. The thickness of the second gas diffusion layer 32 is, for example, about 50 to 150 μm.

第2ガス拡散層32は、第2セパレータ12の第2流路121内を流れる燃料を拡散して第2触媒層31に供給する。第2ガス拡散層32は、電気伝導性を有する。第2ガス拡散層32は、集電部材としても機能する。 The second gas diffusion layer 32 diffuses the fuel flowing in the second flow path 121 of the second separator 12 and supplies it to the second catalyst layer 31. The second gas diffusion layer 32 has electrical conductivity. The second gas diffusion layer 32 also functions as a current collecting member.

第2ガス拡散層32は、カーボンペーパー、カーボンクロス、又はカーボンフェルトなどの導電性多孔質材料によって構成することができる。第2ガス拡散層32には、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、又はグラファイトなどの導電性材料と、フッ素樹脂(PTFE、PVDF)などの撥水性材料と、を含むマイクロポーラス層が形成されていてもよい。 The second gas diffusion layer 32 can be made of a conductive porous material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt. Even if the second gas diffusion layer 32 is formed with a microporous layer containing carbon black such as acetylene black or a conductive material such as graphite and a water repellent material such as fluororesin (PTFE, PVDF). good.

第2吸着部33は、第2ガス拡散層32の内部に配置されている。各第2吸着部33は、互いに間隔をあけて配置されている。詳細には、各第2吸着部33は、第2ガス拡散層32の面方向において、互いに間隔をあけて配置される。また、第2吸着部33は、第2触媒層31と間隔をあけて配置されていることが好ましい。なお、第2吸着部33と第2触媒層31とは接触していてもよい。 The second adsorption portion 33 is arranged inside the second gas diffusion layer 32. The second suction portions 33 are arranged at intervals from each other. Specifically, the second adsorption portions 33 are arranged at intervals from each other in the plane direction of the second gas diffusion layer 32. Further, it is preferable that the second adsorption portion 33 is arranged at a distance from the second catalyst layer 31. The second adsorption portion 33 and the second catalyst layer 31 may be in contact with each other.

第2吸着部33は、燃料の酸化反応に対する触媒活性を有する触媒を含んでいる。なお、第2吸着部33の触媒の材料は、例えば、第2触媒層31の触媒として説明した材料のいずれかとすることができる。好ましくは、第2吸着部33の触媒の材料は、第2触媒層31の触媒の材料と同じである。また、第2吸着部33の触媒は、第2触媒層31の触媒と同様に、カーボンなどの担体に担持されていることが好ましい。 The second adsorption unit 33 contains a catalyst having catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel. The catalyst material of the second adsorption unit 33 can be, for example, any of the materials described as the catalyst of the second catalyst layer 31. Preferably, the material of the catalyst of the second adsorption unit 33 is the same as the material of the catalyst of the second catalyst layer 31. Further, the catalyst of the second adsorption unit 33 is preferably supported on a carrier such as carbon, similarly to the catalyst of the second catalyst layer 31.

上述したようなアノード3は、上述したカソード2と同様の方法によって作製する。 The anode 3 as described above is produced by the same method as the cathode 2 described above.

(電解質膜4)
図1に示すように、電解質膜4は、カソード2とアノード3との間に配置される。電解質膜4は、カソード2及びアノード3のそれぞれに接続される。電解質膜4は、イオン伝導性を有する。電解質膜4は、膜状であって、第1面41と第2面42とを有している。第1面41と第2面42とは、互いに逆側を向いている。電解質膜4の第1面41側にはカソード2が配置されており、第2面42側にはアノード3が配置されている。
(Electrolyte membrane 4)
As shown in FIG. 1, the electrolyte membrane 4 is arranged between the cathode 2 and the anode 3. The electrolyte membrane 4 is connected to each of the cathode 2 and the anode 3. The electrolyte membrane 4 has ionic conductivity. The electrolyte membrane 4 is in the form of a film and has a first surface 41 and a second surface 42. The first surface 41 and the second surface 42 face opposite to each other. The cathode 2 is arranged on the first surface 41 side of the electrolyte membrane 4, and the anode 3 is arranged on the second surface 42 side.

図4は、電解質膜4の断面を拡大して示す模式図である。電解質膜4は、支持体5と、イオン伝導体6とを有する。 FIG. 4 is a schematic view showing an enlarged cross section of the electrolyte membrane 4. The electrolyte membrane 4 has a support 5 and an ionic conductor 6.

支持体5は、イオン伝導体6を支持するように構成されている。詳細には、支持体5は、三次元網目構造を有する多孔質基材によって構成されている。「三次元網目構造」とは、基材の構成物質が立体的かつ網目状に繋がった構造である。なお、支持体5を構成する多孔質基材は、三次元網目構造を有していなくてもよい。 The support 5 is configured to support the ionic conductor 6. Specifically, the support 5 is composed of a porous base material having a three-dimensional network structure. The "three-dimensional network structure" is a structure in which the constituent substances of the base material are three-dimensionally and network-likely connected. The porous base material constituting the support 5 does not have to have a three-dimensional network structure.

支持体5は、連続孔5aを形成する。連続孔5aは、立体的かつ網目状に孔が繋がることによって構成されており、支持体5の外表面に露出している。連続孔5aには、イオン伝導体6が含浸されている。 The support 5 forms a continuous hole 5a. The continuous hole 5a is formed by connecting the holes in a three-dimensional and mesh pattern, and is exposed on the outer surface of the support 5. The continuous hole 5a is impregnated with the ionic conductor 6.

支持体5は、金属材料、セラミックス材料、及び高分子材料から選択される少なくとも1種によって構成することができる。 The support 5 can be composed of at least one selected from a metal material, a ceramic material, and a polymer material.

支持体5を構成する金属材料としては、ステンレス(Fe−Cr系合金、Fe−Ni−Cr系合金など)、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、又は、チタンなどを用いることができる。このような金属材料は、セラミックス材料や高分子材料に比べて熱伝導性が高いため、支持体5の放熱効率を向上させることができるとともに、支持体5内の温度分布を低減させることができる。三次元網目構造を有する限り、支持体5の形態は特に制限されず、例えば、多孔質金属材料(例えば、発砲金属材料)によって構成されるセル状又はモノリス状の構造物であってもよいし、細線金属材料によって構成されるメッシュ状の塊であってもよい。 As the metal material constituting the support 5, stainless steel (Fe—Cr alloy, Fe—Ni—Cr alloy, etc.), aluminum, zinc, nickel, titanium, or the like can be used. Since such a metal material has higher thermal conductivity than a ceramic material or a polymer material, it is possible to improve the heat dissipation efficiency of the support 5 and reduce the temperature distribution in the support 5. .. The form of the support 5 is not particularly limited as long as it has a three-dimensional network structure, and may be, for example, a cell-like or monolith-like structure composed of a porous metal material (for example, a foam metal material). , It may be a mesh-like mass composed of a fine wire metal material.

また、支持体5が金属材料によって構成される場合、支持体5の表面には絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、Cr、Al、ZrO、MgO、MgAlなどによって構成することができる。支持体5をステンレスによって構成する場合、ステンレスを酸化処理することにより、絶縁膜としてのCr膜を簡便に形成することができる。ただし、本実施形態では、後述する第1及び第2膜状部4b,4cが、絶縁膜として機能するため、支持体5の表面には、絶縁膜が形成されていなくてもよい。 When the support 5 is made of a metal material, an insulating film may be formed on the surface of the support 5. The insulating film can be composed of Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Mg Al 2 O 4, and the like. When the support 5 is made of stainless steel, a Cr 2 O 3 film as an insulating film can be easily formed by oxidizing the stainless steel. However, in the present embodiment, since the first and second film-like portions 4b and 4c, which will be described later, function as an insulating film, the insulating film may not be formed on the surface of the support 5.

支持体5を構成するセラミックス材料としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、カルシア、コージェライト、ゼオライト、ムライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。 Examples of the ceramic material constituting the support 5 include alumina, zirconia, titania, magnesia, calcia, cordierite, zeolite, mullite, zinc oxide, silicon carbide, and any combination thereof.

支持体5を構成する高分子材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、親水化したフッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等、ポリフッ化ビニリデン)、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びこれらの任意の組合せが挙げられる。支持体5をフレキシブル性の高分子材料で構成する場合には、気孔率を高めながら厚さを薄くしやすいため、水酸化物イオン伝導性を向上させることができる。高分子材料によって構成される支持体5としては、リチウム電池用セパレータとして市販されているような微多孔膜を用いることができる。 Examples of the polymer material constituting the support 5 include polystyrene, polyether sulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, hydrophilic fluororesin (tetrafluorinated resin: PTFE, etc., polyvinylidene fluoride), cellulose, and the like. Examples include nylon, polypropylene and any combination thereof. When the support 5 is made of a flexible polymer material, the thickness can be easily reduced while increasing the porosity, so that the hydroxide ion conductivity can be improved. As the support 5 made of a polymer material, a microporous membrane as commercially available as a separator for a lithium battery can be used.

支持体5の厚さは特に制限されないが、例えば、200μm以下とすることができ、好ましくは100μm以下、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下であり、5μm以下が最も好ましい。支持体5の厚さの下限値は、用途に応じて適宜設定すればよいが、ある程度の堅さを確保するには1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましい。 The thickness of the support 5 is not particularly limited, but can be, for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and 5 μm or less. Most preferred. The lower limit of the thickness of the support 5 may be appropriately set according to the intended use, but is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more in order to secure a certain degree of hardness.

支持体5の断面における連続孔5aの平均内径は特に制限されないが、例えば、0.001〜1.5μmとすることができ、好ましくは0.001〜1.25μm、より好ましくは0.001〜1.0μm、さらに好ましくは0.001〜0.75μm、特に好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることによって、支持体5に支持体としての強度を付与しつつ、イオン伝導体6の緻密度を向上させることができる。連続孔5aの平均内径とは、支持体5の断面を電子顕微鏡で観察した場合に、観察画像上で無作為に選出した20箇所における連続孔5aの円相当径を算術平均することによって得られる。連続孔5aの円相当径とは、観察画像において、連続孔5aの断面積と同じ面積を有する円の直径である。なお、電子顕微鏡の倍率は、連続孔5aの断面サイズに応じて適宜設定すればよい。 The average inner diameter of the continuous holes 5a in the cross section of the support 5 is not particularly limited, but can be, for example, 0.001 to 1.5 μm, preferably 0.001 to 1.25 μm, and more preferably 0.001 to 0.001. It is 1.0 μm, more preferably 0.001 to 0.75 μm, and particularly preferably 0.001 to 0.5 μm. Within these ranges, the density of the ionic conductor 6 can be improved while imparting strength as a support to the support 5. The average inner diameter of the continuous holes 5a is obtained by arithmetically averaging the equivalent circle diameters of the continuous holes 5a at 20 randomly selected positions on the observation image when the cross section of the support 5 is observed with an electron microscope. .. The circle-equivalent diameter of the continuous hole 5a is the diameter of a circle having the same area as the cross-sectional area of the continuous hole 5a in the observation image. The magnification of the electron microscope may be appropriately set according to the cross-sectional size of the continuous hole 5a.

連続孔5aの体積率は特に制限されないが、例えば、10〜80%とすることができ、好ましくは15〜75%、より好ましくは20〜70%である。これらの範囲内とすることによって、支持体5に支持体としての強度を確保しつつ、イオン伝導体6の緻密度を向上させることができる。連続孔5aの体積率は、アルキメデス法により測定することができる。 The volume fraction of the continuous hole 5a is not particularly limited, but can be, for example, 10 to 80%, preferably 15 to 75%, and more preferably 20 to 70%. Within these ranges, the density of the ionic conductor 6 can be improved while ensuring the strength of the support 5 as a support. The volume fraction of the continuous hole 5a can be measured by the Archimedes method.

また、図4では図示されていないが、支持体5は、それ自体の内部に複数の細孔を有することが好ましい。複数の細孔は、支持体5の内部において、互いに繋がっていてもよい。そして、各細孔は支持体5の表面に開口する開気孔であって、各細孔にはイオン伝導体6が含浸していることがより好ましい。これによって、連続孔5a→支持体5内の細孔→連続孔5aという短距離イオン伝導パスや、連続孔5a→支持体5内の細孔→第2膜状部4c、或いは、第1膜状部4b→支持体5内の細孔→第2膜状部4cという長距離イオン伝導パスを形成することができる。その結果、複合部4a内のイオン伝導可能領域が広がるため、電解質膜4全体としてのイオン伝導性を向上させることができる。 Further, although not shown in FIG. 4, the support 5 preferably has a plurality of pores inside itself. The plurality of pores may be connected to each other inside the support 5. It is more preferable that each pore is an open pore that opens on the surface of the support 5, and each pore is impregnated with the ionic conductor 6. As a result, a short-distance ion conduction path of continuous hole 5a → pore in support 5 → continuous hole 5a, continuous hole 5a → pore in support 5, second film-like portion 4c, or first film. It is possible to form a long-distance ion conduction path of the shape portion 4b → the pores in the support 5 → the second film-like portion 4c. As a result, the ionic conductive region in the composite portion 4a is widened, so that the ionic conductivity of the electrolyte membrane 4 as a whole can be improved.

イオン伝導体6は、水酸化物イオン伝導性を有する。固体アルカリ形燃料電池100の発電中、イオン伝導体6は、カソード2側からアノード3側に水酸化物イオン(OH)を伝導させる。イオン伝導体6の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、0.1mS/cm以上が好ましく、より好ましくは0.5mS/cm以上、さらに好ましくは1.0mS/cm以上である。イオン伝導体6の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば10mS/cmである。 The ionic conductor 6 has hydroxide ionic conductivity. During power generation of the solid alkaline fuel cell 100, the ion conductor 6 conducts hydroxide ions (OH ) from the cathode 2 side to the anode 3 side. The hydroxide ion conductivity of the ion conductor 6 is not particularly limited, but is preferably 0.1 mS / cm or more, more preferably 0.5 mS / cm or more, and further preferably 1.0 mS / cm or more. The higher the hydroxide ion conductivity of the ion conductor 6, the more preferable it is, and the upper limit thereof is not particularly limited, but is, for example, 10 mS / cm.

イオン伝導体6は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)が好適である。 The ionic conductor 6 can be made of a ceramic material having hydroxide ionic conductivity. As such a ceramic material, layered double hydroxide (LDH) is suitable.

LDHは、M2+ 1−x3+ (OH)n−x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4、mは水のモル数を意味する任意の整数である)の一般式で示される基本組成を有する。M2+の例としてはMg2+、Ca2+、Sr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、及びZn2+が挙げられ、M3+の例としては、Al3+、Fe3+、Ti3+、Y3+、Ce3+、Mo3+、及びCr3+が挙げられ、An−の例としてはCO 2−及びOHが挙げられる。M2+及びM3+としては、それぞれ1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。 LDH is M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (in the formula, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, and A The basic composition represented by the general formula of n− is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is an arbitrary integer meaning the number of moles of water). Have. Examples of M 2+ include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , and Zn 2+ , and examples of M 3+ include Al 3+ , Fe 3+ , Ti 3+ , Y 3+, Ce 3+, Mo 3+ , and Cr 3+, and examples of a n- is CO 3 2- and OH - are exemplified. As M 2+ and M 3+ , one type may be used alone or two or more types may be used in combination.

LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びHOで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属MがNi、Al、Tiの場合には、Ni、Al、Ti及びOH基を含む。以下、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含む場合について説明する。 LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. Intermediate layer is composed of an anion and H 2 O. The hydroxide basic layer contains, for example, Ni, Al, Ti and OH groups when the metal M is Ni, Al, Ti. Hereinafter, a case where the hydroxide basic layer of LDH contains Ni, Al, Ti and OH groups will be described.

LDH中のNiはニッケルイオンの形態を採りうる。LDH中のニッケルイオンは典型的にはNi2+であると考えられるが、Ni3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のAlはアルミニウムイオンの形態を採りうる。LDH中のアルミニウムイオンは典型的にはAl3+であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のTiはチタンイオンの形態を採りうる。LDH中のチタンイオンは典型的にはTi4+であると考えられるが、Ti3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ni、Al、Ti及びOH基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してLDH中に混入しうる。 Ni in LDH can take the form of nickel ions. Nickel ions in LDH are typically considered to be Ni 2+ , but are not particularly limited as other valences such as Ni 3+ are possible. Al in LDH can take the form of aluminum ions. The aluminum ion in LDH is typically considered to be Al 3+ , but is not particularly limited as other valences are possible. Ti in LDH can take the form of titanium ions. Titanium ions in LDH are typically considered to be Ti 4+ , but are not particularly limited as other valences such as Ti 3+ are possible. The hydroxide basic layer preferably contains Ni, Al, Ti and OH groups as main constituent elements, but may contain other elements or ions, or may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurity is an arbitrary element that can be unavoidably mixed in the production method, and can be mixed in LDH, for example, derived from a raw material or a base material.

LDHの中間層は、陰イオン及びHOで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH及び/又はCO 2−を含む。 Intermediate layer of LDH is composed of anionic and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anions in LDH contain OH and / or CO 3 2- .

上記のとおり、Ni、Al及びTiの価数は必ずしも定かではないため、LDHを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてNi2+、Al3+、Ti4+及びOH基で構成されるものと想定した場合、LDHは、一般式:Ni2+ 1−x−yAl3+ Ti4+ (OH)n− (x+2y)/n・mHO(式中、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、好ましくは1又は2であり、0<x<1、好ましくは0.01≦x≦0.5、0<y<1、好ましくは0.01≦y≦0.5、0<x+y<1、mは0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数である)なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ni2+、Al3+、Ti4+等の元素がLDHの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン(同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む)で置き換え可能なものとして解されるべきである。 As described above, since the valences of Ni, Al and Ti are not always fixed, it is impractical or impossible to specify LDH strictly by a general formula. Assuming that the basic hydroxide layer is mainly composed of Ni 2+ , Al 3+ , Ti 4+ and OH groups, LDH is expressed by the general formula: Ni 2+ 1-xy Al 3+ x Ti 4+ y (OH). ) 2 a n- (x + 2y ) / n · mH 2 O ( wherein, a n-n-valent anion, n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2, 0 <x <1, preferably 0.01 ≦ x ≦ 0.5, 0 <y <1, preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.5, 0 <x + y <1, m is 0 or more, typically more than 0 or 1 or more It can be expressed by the basic composition (which is a real number of). However, the above general formula should be understood as "basic composition" to the extent that elements such as Ni 2+ , Al 3+ , and Ti 4+ do not impair the basic characteristics of LDH, and other elements or ions (of the same element). It should be understood as replaceable with other valence elements or ions or elements or ions that can be unavoidably mixed in the process.

電解質膜4は、複合部4a、第1膜状部4b、及び第2膜状部4cを有する。複合部4aは、支持体5とイオン伝導体6とを有する。第1膜状部4b及び第2膜状部4cは、イオン伝導体6を有しているが、支持体5を有していない。 The electrolyte membrane 4 has a composite portion 4a, a first membrane-like portion 4b, and a second membrane-like portion 4c. The composite portion 4a has a support 5 and an ionic conductor 6. The first film-like portion 4b and the second film-like portion 4c have an ionic conductor 6, but do not have a support 5.

複合部4aは、第1膜状部4bと第2膜状部4cとの間に配置される。イオン伝導体6は、支持体5内において、支持体5に支持されている。詳細には、イオン伝導体6は、支持体5の連続孔5a内に配置される。イオン伝導体6は、支持体5の連続孔5a内に含浸されており、支持体5と一体化している。このように、イオン伝導体6を支持体5で支持することによって、イオン伝導体6の強度を向上できるため、イオン伝導体6を薄くすることができる。その結果、電解質膜4の低抵抗化を図ることができる。 The composite portion 4a is arranged between the first film-like portion 4b and the second film-like portion 4c. The ionic conductor 6 is supported by the support 5 in the support 5. Specifically, the ionic conductor 6 is arranged in the continuous hole 5a of the support 5. The ionic conductor 6 is impregnated in the continuous holes 5a of the support 5, and is integrated with the support 5. By supporting the ionic conductor 6 with the support 5 in this way, the strength of the ionic conductor 6 can be improved, so that the ionic conductor 6 can be made thinner. As a result, the resistance of the electrolyte membrane 4 can be reduced.

本実施形態において、イオン伝導体6は、支持体5の連続孔5aの略全域に広がる。ただし、電解質膜4が第1膜状部4b及び第2膜状部4cの少なくとも一方を有さない場合、イオン伝導体6は、支持体5の一部にのみ含浸されていてもよい。 In the present embodiment, the ionic conductor 6 extends over substantially the entire continuous hole 5a of the support 5. However, when the electrolyte membrane 4 does not have at least one of the first membrane-like portion 4b and the second membrane-like portion 4c, the ionic conductor 6 may be impregnated only in a part of the support 5.

ここで、複合部4aにおいて、電解質膜4は、その内部に形成された複数の閉気孔61を有する。このような閉気孔61が形成されるため、固体アルカリ形燃料電池100の作動中にイオン伝導体6の含水状況の変動に起因する電解質膜4の体積変化を緩和させることができる。これにより、電解質膜4とカソード2との界面、又は/及び電解質膜4とアノード3との界面に応力が発生することを抑制できる。その結果、カソード2又は/及びアノード3から電解質膜4が剥離したり、電解質膜4自体が変形したりすることを抑制できる。 Here, in the composite portion 4a, the electrolyte membrane 4 has a plurality of closed pores 61 formed inside the composite portion 4a. Since such closed pores 61 are formed, it is possible to alleviate the volume change of the electrolyte membrane 4 due to the change in the water content of the ionic conductor 6 during the operation of the solid alkaline fuel cell 100. As a result, it is possible to suppress the generation of stress at the interface between the electrolyte membrane 4 and the cathode 2 and / and the interface between the electrolyte membrane 4 and the anode 3. As a result, it is possible to prevent the electrolyte membrane 4 from peeling off from the cathode 2 and / and the anode 3 and the electrolyte membrane 4 itself from being deformed.

さらに、閉気孔61が複合部4aの内部に形成されることで、複合部4aに柔軟性を付与することができるため、固体アルカリ形燃料電池100内の温度分布に起因して、カソード2と電解質膜4との界面、又は/及び、アノード3と電解質膜4との界面に熱応力が発生することを抑制できる。そのため、カソード2又は/及びアノード3から電解質膜4が剥離したり、或いは、電解質膜4自体が変形したりすることを抑制できる。 Further, since the closed pores 61 are formed inside the composite portion 4a, the composite portion 4a can be provided with flexibility. Therefore, due to the temperature distribution in the solid alkaline fuel cell 100, the cathode 2 and the cathode 2 It is possible to suppress the generation of thermal stress at the interface with the electrolyte membrane 4 and / and at the interface between the anode 3 and the electrolyte membrane 4. Therefore, it is possible to prevent the electrolyte membrane 4 from peeling off from the cathode 2 and / and the anode 3 or the electrolyte membrane 4 itself from being deformed.

閉気孔61は、支持体5から離れている。すなわち、閉気孔61は、複合部4aの内部に閉じこめられており、連続孔5aの内表面と直接的に接触しない。これによって、閉気孔61が支持体5に直接接触する場合に比べて、電解質膜4に体積変化や変形が生じた場合に、支持体5、複合部4a及び閉気孔61の三者で作られる角部を起点として、複合部4aが支持体5から剥離することを抑制できる。 The closed hole 61 is separated from the support 5. That is, the closed air hole 61 is confined inside the composite portion 4a and does not come into direct contact with the inner surface of the continuous hole 5a. As a result, when the electrolyte membrane 4 undergoes a volume change or deformation as compared with the case where the closed pore 61 comes into direct contact with the support 5, the support 5, the composite portion 4a, and the closed pore 61 are formed. It is possible to prevent the composite portion 4a from peeling off from the support 5 starting from the corner portion.

各閉気孔61の平均円相当径は特に制限されないが、例えば、0.001〜1.0μmとすることができる。各閉気孔61の平均円相当径は、0.001μm以上が好ましく、0.002μm以上がより好ましい。これによって、複合部4aの柔軟性をより向上させることができる。また、各閉気孔61の平均円相当径は、1.0μm以下が好ましく、0.8μm以下がより好ましい。 The average circle-equivalent diameter of each closed hole 61 is not particularly limited, but may be, for example, 0.001 to 1.0 μm. The average circle-equivalent diameter of each closed hole 61 is preferably 0.001 μm or more, more preferably 0.002 μm or more. Thereby, the flexibility of the composite portion 4a can be further improved. The average circle-equivalent diameter of each closed hole 61 is preferably 1.0 μm or less, more preferably 0.8 μm or less.

各閉気孔61の平均円相当径は、電解質膜4の断面を20,000〜1,500,000倍の電子顕微鏡で観察し、無作為に選出した20個の閉気孔61の円相当径を算術平均することによって得られる。閉気孔61の円相当径とは、電解質膜4の断面において、閉気孔61と同じ面積を有する円の直径である。ただし、0.001μm以下の円相当径を有する閉気孔61は、複合部4aの柔軟性向上への寄与が極めて小さいため、各閉気孔61の平均円相当径を求める際には除外するものとする。 The average circle-equivalent diameter of each of the closed pores 61 is the circle-equivalent diameter of 20 randomly selected pores 61 obtained by observing the cross section of the electrolyte membrane 4 with an electron microscope of 20,000 to 1,500,000 times. Obtained by arithmetic averaging. The circle-equivalent diameter of the closed pores 61 is the diameter of a circle having the same area as the closed pores 61 in the cross section of the electrolyte membrane 4. However, since the closed pores 61 having a circular equivalent diameter of 0.001 μm or less have an extremely small contribution to improving the flexibility of the composite portion 4a, they should be excluded when determining the average circular equivalent diameter of each closed hole 61. do.

第1膜状部4bは、複合部4aのカソード2側に連なる。第1膜状部4bは、膜状に形成される。第1膜状部4bのイオン伝導体6は、複合部4aのイオン伝導体6と一体的に形成される。 The first film-like portion 4b is connected to the cathode 2 side of the composite portion 4a. The first film-like portion 4b is formed in a film-like shape. The ionic conductor 6 of the first film-like portion 4b is integrally formed with the ionic conductor 6 of the composite portion 4a.

第2膜状部4cは、複合部4aのアノード3側に連なる。第2膜状部4cは、膜状に形成される。第2膜状部4cのイオン伝導体6は、複合部4aのイオン伝導体6と一体的に形成される。第1膜状部4b及び第2膜状部4cそれぞれは、一様な平面状に形成されていてもよいし、縞状など所望の平面形状にパターン化されていてもよい。第1膜状部4b及び第2膜状部4cそれぞれの厚さは特に制限されないが、例えば、10μm以下とすることができ、好ましくは7μm以下、より好ましくは5μm以下である。 The second film-like portion 4c is connected to the anode 3 side of the composite portion 4a. The second film-like portion 4c is formed in a film-like shape. The ionic conductor 6 of the second film-like portion 4c is integrally formed with the ionic conductor 6 of the composite portion 4a. Each of the first film-like portion 4b and the second film-like portion 4c may be formed in a uniform planar shape, or may be patterned into a desired planar shape such as a striped shape. The thickness of each of the first film-like portion 4b and the second film-like portion 4c is not particularly limited, but can be, for example, 10 μm or less, preferably 7 μm or less, and more preferably 5 μm or less.

(電解質膜4の製造方法)
電解質膜4の作製方法は特に限定されないが、イオン伝導体6をLDHで構成する場合であって、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含むとき、以下の工程(1)〜(4)で作製することができる。
(Manufacturing method of electrolyte membrane 4)
The method for producing the electrolyte film 4 is not particularly limited, but when the ionic conductor 6 is composed of LDH and the hydroxide basic layer of LDH contains Ni, Al, Ti and OH groups, the following steps ( It can be produced in 1) to (4).

(1)支持体5を用意する。 (1) Prepare the support 5.

(2)支持体5の全体にアルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することでアルミナ・チタニア層を形成させる。後述するように、支持体5の表面全体からLDHを成長させるには、支持体5の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させることが重要となるため、アルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することを複数回実施する。これにより、支持体5の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成することができる。 (2) The entire support 5 is impregnated with a mixed sol of alumina and titania and heat-treated to form an alumina-titania layer. As will be described later, in order to grow LDH from the entire surface of the support 5, it is important to form an alumina-titania layer on the entire surface of the support 5, so a mixed sol of alumina and titania is impregnated. The heat treatment is performed a plurality of times. As a result, an alumina-titania layer can be formed on the entire surface of the support 5.

(3)ニッケルイオン(Ni2+)及び尿素を含む原料水溶液に支持体5を浸漬させる。 (3) The support 5 is immersed in a raw material aqueous solution containing nickel ions (Ni 2+) and urea.

(4)原料水溶液中で支持体5を水熱処理して、LDHを支持体5上及び支持体5中に形成させることによって、イオン伝導体6を形成する。この際、水熱処理時間および溶液濃度を適宜調整することによって、気孔が閉塞する前に反応を停止することでイオン伝導体6内に閉気孔61を形成させることができる。LDHは支持体5の表面に形成されたアルミナ・チタニア層を核として成長するため、支持体5の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させた場合においては、支持体5の表面全体からLDHが成長することになる。その結果として、閉気孔61を支持体5から離すことができる。 (4) The ionic conductor 6 is formed by hydrothermally treating the support 5 in the raw material aqueous solution to form LDH on the support 5 and in the support 5. At this time, by appropriately adjusting the hydrothermal treatment time and the solution concentration, the closed pores 61 can be formed in the ion conductor 6 by stopping the reaction before the pores are closed. Since LDH grows around the alumina-titania layer formed on the surface of the support 5, LDH is generated from the entire surface of the support 5 when the alumina-titania layer is formed on the entire surface of the support 5. Will grow. As a result, the closed pores 61 can be separated from the support 5.

(第1及び第2セパレータ11、12)
図1に示すように、第1及び第2セパレータ11、12は、膜電極接合体10を厚さ方向(z軸方向)の両側から挟むように配置されている。第1セパレータ11は、カソード2に酸素(O)を含む酸化剤を供給するように構成されている。第1セパレータ11は、第1流路111を有している。第1流路111は、カソード2と対向している。この第1流路111には、酸素(O)を含む酸化剤が供給される。
(1st and 2nd separators 11 and 12)
As shown in FIG. 1, the first and second separators 11 and 12 are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly 10 from both sides in the thickness direction (z-axis direction). The first separator 11 is configured to supply an oxidizing agent containing oxygen (O 2) to the cathode 2. The first separator 11 has a first flow path 111. The first flow path 111 faces the cathode 2. An oxidizing agent containing oxygen (O 2 ) is supplied to the first flow path 111.

第2セパレータ12は、アノード3に水素原子(H)を含む燃料を供給するように構成されている。第2セパレータ12は、第2流路121を有している。第2流路121は、アノード3と対向している。この第2流路121には、水素原子(H)を含む燃料が供給される。例えば、第2流路121には、メタノールが供給される。 The second separator 12 is configured to supply fuel containing a hydrogen atom (H) to the anode 3. The second separator 12 has a second flow path 121. The second flow path 121 faces the anode 3. Fuel containing a hydrogen atom (H) is supplied to the second flow path 121. For example, methanol is supplied to the second flow path 121.

複数の膜電極接合体10が第1及び第2セパレータ11,12を介してスタックされている場合は、第1セパレータ11は、第1流路111が形成される面とは反対側の面に第2流路が形成されている。また、第2セパレータ12は、第2流路121が形成される面とは反対側の面に第1流路が形成されている。 When a plurality of membrane electrode assemblies 10 are stacked via the first and second separators 11 and 12, the first separator 11 is placed on a surface opposite to the surface on which the first flow path 111 is formed. A second flow path is formed. Further, in the second separator 12, the first flow path is formed on the surface opposite to the surface on which the second flow path 121 is formed.

第1セパレータ11と膜電極接合体10との間には、第1シール部材13aが配置されている。第1シール部材13aは、第1セパレータ11と膜電極接合体10との間の密着性を向上させて、酸化剤が外部へ漏出することを防止する。第2セパレータ12と膜電極接合体10との間には、第2シール部材13bが配置されている。第2シール部材13bは、第2セパレータ12と膜電極接合体10との間の密着性を向上させて、燃料が外部へ漏出することを防止する。 A first seal member 13a is arranged between the first separator 11 and the membrane electrode assembly 10. The first sealing member 13a improves the adhesion between the first separator 11 and the membrane electrode assembly 10 to prevent the oxidizing agent from leaking to the outside. A second sealing member 13b is arranged between the second separator 12 and the membrane electrode assembly 10. The second sealing member 13b improves the adhesion between the second separator 12 and the membrane electrode assembly 10 to prevent fuel from leaking to the outside.

第1及び第2シール部材13a、13bは、環状であり、膜電極接合体10の電解質膜4の外周部に当接している。第1及び第2シール部材13a、13bとして、例えば、Oリング、ゴムシートなどを例示することができる。第1シール部材13aは、第1セパレータ11と一体的に構成されていてもよい。第2シール部材13bは、第2セパレータ12と一体的に構成されていてもよい。 The first and second sealing members 13a and 13b are annular and are in contact with the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 4 of the membrane electrode assembly 10. Examples of the first and second seal members 13a and 13b include an O-ring and a rubber sheet. The first seal member 13a may be integrally formed with the first separator 11. The second seal member 13b may be integrally configured with the second separator 12.

(実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modified example of the embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

変形例1
上記実施形態では、第1触媒層21からの距離に関して、各第1吸着部23は、隣り合う第1吸着部23と略同じであるが、各第1吸着部23の位置はこれに限定されない。例えば、図5に示すように、第1触媒層21からの距離D1について、各第1吸着部23は、隣り合う第1吸着部23と異なっていてもよい。なお、第1吸着部23と第1触媒層21との距離D1は、特に限定されるものではないが、例えば、5〜30μm程度とすることができる。図6に示すように、各第2吸着部33も同様に、第2触媒層31からの距離D2について、隣り合う第2吸着部33と異なっていてもよい。この第2吸着部33と第2触媒層31との距離D2も、特に限定されるものではないが、例えば、5〜30μm程度とすることができる。
Modification 1
In the above embodiment, with respect to the distance from the first catalyst layer 21, each first adsorption unit 23 is substantially the same as the adjacent first adsorption unit 23, but the position of each first adsorption unit 23 is not limited to this. .. For example, as shown in FIG. 5, each first adsorption unit 23 may be different from the adjacent first adsorption unit 23 with respect to the distance D1 from the first catalyst layer 21. The distance D1 between the first adsorption unit 23 and the first catalyst layer 21 is not particularly limited, but can be, for example, about 5 to 30 μm. As shown in FIG. 6, each second adsorption unit 33 may also be different from the adjacent second adsorption unit 33 in the distance D2 from the second catalyst layer 31. The distance D2 between the second adsorption portion 33 and the second catalyst layer 31 is also not particularly limited, but can be, for example, about 5 to 30 μm.

変形例2
図7に示すように、第1ガス拡散層22は、第1中央部22aと、第1外周部22bとに分けることができる。第1外周部22bは、第1中央部22aを囲むように配置されている。なお、第1外周部22bの幅W1は、第1ガス拡散層22の長辺の長さL1の5%とすることができる。
Modification 2
As shown in FIG. 7, the first gas diffusion layer 22 can be divided into a first central portion 22a and a first outer peripheral portion 22b. The first outer peripheral portion 22b is arranged so as to surround the first central portion 22a. The width W1 of the first outer peripheral portion 22b can be 5% of the length L1 of the long side of the first gas diffusion layer 22.

第1吸着部23は、第1中央部22aの内部のみに配置され、第1外周部22bの内部に配置されていなくてもよい。 The first suction portion 23 is arranged only inside the first central portion 22a, and may not be arranged inside the first outer peripheral portion 22b.

また、第1中央部22aにおける第1吸着部23の含有率が、第1外周部22bにおける第1吸着部23の含有率よりも大きくなるように、カソード2は構成されていてもよい。 Further, the cathode 2 may be configured so that the content of the first adsorption portion 23 in the first central portion 22a is larger than the content of the first adsorption portion 23 in the first outer peripheral portion 22b.

第1中央部22aにおける第1吸着部23の含有率、及び第1外周部22bにおける第1吸着部23の含有率は、例えば、次のように測定することができる。 The content of the first adsorption portion 23 in the first central portion 22a and the content of the first adsorption portion 23 in the first outer peripheral portion 22b can be measured, for example, as follows.

まず、図5に示すような切断面を3つ形成する。詳細には、図8に示すように、第1ガス拡散層22の中心Cを通り、第1流路111が延びる方向に沿って切断した第1切断面C1を形成する。また、この第1切断面C1と平行となるように切断した第2切断面C2及び第3切断面C3を形成する。 First, three cut surfaces as shown in FIG. 5 are formed. Specifically, as shown in FIG. 8, the first cut surface C1 is formed by passing through the center C of the first gas diffusion layer 22 and cutting along the direction in which the first flow path 111 extends. Further, a second cut surface C2 and a third cut surface C3 cut so as to be parallel to the first cut surface C1 are formed.

なお、第1切断面C1と第2切断面C2との距離d1は、第1切断面C1と第3切断面C3との距離d2と同じであり、これらの距離d1及びd2は、第1ガス拡散層22の第1寸法d0の25%とする。ここで、第1ガス拡散層22の第1寸法d0とは、第1ガス拡散層22の中心Cを通り、第1切断面C1と直交する方向に延びる寸法を意味する。なお、図9に示すように、平面視が矩形状でない場合、例えば、円形状のような場合であっても同様の方法で各切断面C1〜C3を形成する。 The distance d1 between the first cut surface C1 and the second cut surface C2 is the same as the distance d2 between the first cut surface C1 and the third cut surface C3, and these distances d1 and d2 are the first gas. It is 25% of the first dimension d0 of the diffusion layer 22. Here, the first dimension d0 of the first gas diffusion layer 22 means a dimension that passes through the center C of the first gas diffusion layer 22 and extends in a direction orthogonal to the first cut surface C1. As shown in FIG. 9, each cut surface C1 to C3 is formed by the same method even when the plan view is not rectangular, for example, when it is circular.

以上により、図10に示すような切断面C1〜C3が形成される。次に、各切断面C1〜C3における第1ガス拡散層22の第1中央部22a及び一対の第1外周部22bを、第1触媒層21と第1ガス拡散層22との境界を含むようにSEMによって500倍に拡大して撮影する。 As a result, the cut surfaces C1 to C3 as shown in FIG. 10 are formed. Next, the first central portion 22a and the pair of first outer peripheral portions 22b of the first gas diffusion layer 22 on the cut surfaces C1 to C3 include the boundary between the first catalyst layer 21 and the first gas diffusion layer 22. The image is magnified 500 times by SEM.

詳細には、第1切断面C1における第1ガス拡散層22の第1中央部22aにおいて、中央部と、中央部から距離d3だけ離れた2箇所の合計3視野を撮影する。なお、距離d3は、各切断面における第1ガス拡散層22の第2寸法d4の25%とする。ここで、第1ガス拡散層22の第2寸法d4とは、各切断面における第1ガス拡散層22の長手方向の寸法を意味する。 Specifically, in the first central portion 22a of the first gas diffusion layer 22 on the first cut surface C1, a total of three visual fields of the central portion and two locations separated from the central portion by a distance d3 are photographed. The distance d3 is 25% of the second dimension d4 of the first gas diffusion layer 22 on each cut surface. Here, the second dimension d4 of the first gas diffusion layer 22 means the dimension in the longitudinal direction of the first gas diffusion layer 22 on each cut surface.

第2切断面C2及び第3切断面C3でも、第1切断面C1と同様に、第1ガス拡散層22の第1中央部22aにおいて3視野撮影する。このようにして撮影した第1中央部22aの各撮影視野において、第1吸着部23を構成する元素の元素マッピングを行うことで第1吸着部23の含有率を算出する。そして、各視野の第1吸着部23の含有率の平均値を、第1中央部22aにおける第1吸着部23の含有率とすることができる。 Similarly to the first cut surface C1, the second cut surface C2 and the third cut surface C3 are also photographed in three fields at the first central portion 22a of the first gas diffusion layer 22. The content rate of the first adsorption portion 23 is calculated by performing element mapping of the elements constituting the first adsorption portion 23 in each imaging field of view of the first central portion 22a photographed in this manner. Then, the average value of the content of the first adsorption portion 23 in each visual field can be used as the content rate of the first adsorption portion 23 in the first central portion 22a.

また、第1切断面C1における第1ガス拡散層22の両端部に位置する一対の第1外周部22bにおいて、各第1外周部22bのx軸方向の中央部を撮影する。すなわち、第1切断面C1において、第1外周部22bを2視野分撮影する。第2切断面C2及び第3切断面C3でも、第1切断面C1と同様に、第1外周部22bを2視野分撮影する。 Further, in a pair of first outer peripheral portions 22b located at both ends of the first gas diffusion layer 22 on the first cut surface C1, the central portion of each first outer peripheral portion 22b in the x-axis direction is photographed. That is, on the first cut surface C1, the first outer peripheral portion 22b is photographed for two fields of view. Also on the second cut surface C2 and the third cut surface C3, the first outer peripheral portion 22b is photographed for two fields of view in the same manner as the first cut surface C1.

このようにして撮影した第1外周部22bの各撮影視野において、第1吸着部23を構成する元素の元素マッピングを行うことで第1吸着部23の含有率を算出する。そして、各視野の第1吸着部23の含有率の平均値を、第1外周部22bにおける第1吸着部23の含有率とすることができる。 The content rate of the first adsorption portion 23 is calculated by performing elemental mapping of the elements constituting the first adsorption portion 23 in each imaging field of view of the first outer peripheral portion 22b photographed in this manner. Then, the average value of the content rate of the first suction portion 23 in each visual field can be set as the content rate of the first suction portion 23 in the first outer peripheral portion 22b.

変形例3
第1中央部22aにおける第1吸着部23と第1触媒層21との距離D1が、第1外周部22bにおける第1吸着部23と第1触媒層21との距離D1よりも大きくなるように、各第1吸着部23を配置することができる。なお、この距離D1は、上記第1吸着部23の含有率を測定する際に撮影した画像を用いて測定することができる。距離D1は、それぞれ測定した値の平均値とすることができる。
Modification 3
The distance D1 between the first adsorption portion 23 and the first catalyst layer 21 in the first central portion 22a is larger than the distance D1 between the first adsorption portion 23 and the first catalyst layer 21 in the first outer peripheral portion 22b. , Each first suction unit 23 can be arranged. The distance D1 can be measured by using an image taken when measuring the content rate of the first adsorption unit 23. The distance D1 can be the average value of the measured values.

変形例4
図11に示すように、第2ガス拡散層32は、第2中央部32aと、第2外周部32bとに分けることができる。第2外周部32bは、第2中央部32aを囲むように配置されている。なお、第2外周部32bの幅W2は、第2ガス拡散層32の長辺の長さL2の5%とすることができる。
Modification 4
As shown in FIG. 11, the second gas diffusion layer 32 can be divided into a second central portion 32a and a second outer peripheral portion 32b. The second outer peripheral portion 32b is arranged so as to surround the second central portion 32a. The width W2 of the second outer peripheral portion 32b can be 5% of the length L2 of the long side of the second gas diffusion layer 32.

第2吸着部33は、第2中央部32aの内部のみに配置され、第2外周部32bの内部に配置されていなくてもよい。 The second suction portion 33 is arranged only inside the second central portion 32a, and may not be arranged inside the second outer peripheral portion 32b.

また、第2中央部32aにおける第2吸着部33の含有率が、第2外周部32bにおける第2吸着部33の含有率よりも大きくなるように、カソード2は構成されていてもよい。 Further, the cathode 2 may be configured so that the content of the second adsorption portion 33 in the second central portion 32a is larger than the content of the second adsorption portion 33 in the second outer peripheral portion 32b.

第2中央部32aにおける第2吸着部33の含有率、及び第2外周部32bにおける第2吸着部33の含有率は、例えば、次のように測定することができる。 The content of the second adsorption portion 33 in the second central portion 32a and the content of the second adsorption portion 33 in the second outer peripheral portion 32b can be measured, for example, as follows.

まず、図6に示すような切断面を3つ形成する。この3つの切断面は、例えば、第1中央部22aにおける第1吸着部23の含有率、及び第1外周部22bにおける第1吸着部23の含有率を測定するために作成した切断面C1〜C3と同じである。 First, three cut surfaces as shown in FIG. 6 are formed. These three cut surfaces are, for example, the cut surfaces C1 to 3 created for measuring the content rate of the first suction portion 23 in the first central portion 22a and the content rate of the first suction portion 23 in the first outer peripheral portion 22b. Same as C3.

次に、各切断面C1〜C3における第2ガス拡散層32の第2中央部32a及び一対の第2外周部32bを、第2触媒層31と第2ガス拡散層32との境界を含むようにSEMによって500倍に拡大して撮影する。 Next, the second central portion 32a and the pair of second outer peripheral portions 32b of the second gas diffusion layer 32 on the cut surfaces C1 to C3 include the boundary between the second catalyst layer 31 and the second gas diffusion layer 32. The image is magnified 500 times by SEM.

詳細には、図10に示すように、第1切断面C1における第2ガス拡散層32の第2中央部32aにおいて、中央部と、中央部から距離d5だけ離れた2箇所の合計3視野を撮影する。なお、距離d5は、各切断面における第2ガス拡散層32の寸法d6の25%とする。ここで、第2ガス拡散層32の寸法d6とは、各切断面における第2ガス拡散層32の長手方向の寸法を意味する。 Specifically, as shown in FIG. 10, in the second central portion 32a of the second gas diffusion layer 32 on the first cut surface C1, a total of three visual fields of the central portion and two locations separated from the central portion by a distance d5 are provided. Take a picture. The distance d5 is 25% of the dimension d6 of the second gas diffusion layer 32 on each cut surface. Here, the dimension d6 of the second gas diffusion layer 32 means the dimension in the longitudinal direction of the second gas diffusion layer 32 on each cut surface.

第2切断面C2及び第3切断面C3でも、第1切断面C1と同様に、第2ガス拡散層32の第2中央部32aにおいて3視野撮影する。このようにして撮影した第2中央部32aの各撮影視野において、第2吸着部33を構成する元素の元素マッピングを行うことで第2吸着部33の含有率を算出する。そして、各視野の第2吸着部33の含有率の平均値を、第2中央部32aにおける第2吸着部33の含有率とすることができる。 Similarly to the first cut surface C1, the second cut surface C2 and the third cut surface C3 are also photographed in three fields at the second central portion 32a of the second gas diffusion layer 32. The content rate of the second adsorption portion 33 is calculated by performing elemental mapping of the elements constituting the second adsorption portion 33 in each imaging field of view of the second central portion 32a photographed in this manner. Then, the average value of the content rate of the second adsorption portion 33 in each visual field can be set as the content rate of the second adsorption portion 33 in the second central portion 32a.

また、第1切断面C1における第2ガス拡散層32の両端部に位置する一対の第2外周部32bにおいて、各第2外周部32bのx軸方向の中央部を撮影する。すなわち、第1切断面C1において、第2外周部32bを2視野分撮影する。第2切断面C2及び第3切断面C3でも、第1切断面C1と同様に、第2外周部32bを2視野分撮影する。 Further, in a pair of second outer peripheral portions 32b located at both ends of the second gas diffusion layer 32 on the first cut surface C1, the central portion of each second outer peripheral portion 32b in the x-axis direction is photographed. That is, on the first cut surface C1, the second outer peripheral portion 32b is photographed for two fields of view. Similarly to the first cut surface C1, the second outer peripheral portion 32b is photographed for two fields of view on the second cut surface C2 and the third cut surface C3.

このようにして撮影した第2外周部32bの各撮影視野において、第2吸着部33を構成する元素の元素マッピングを行うことで第2吸着部33の含有率を算出する。そして、各視野の第2吸着部33の含有率の平均値を、第2外周部32bにおける第2吸着部33の含有率とすることができる。 The content rate of the second adsorption portion 33 is calculated by performing elemental mapping of the elements constituting the second adsorption portion 33 in each imaging field of view of the second outer peripheral portion 32b photographed in this manner. Then, the average value of the content rate of the second suction portion 33 in each visual field can be set as the content rate of the second suction portion 33 in the second outer peripheral portion 32b.

変形例5
第2中央部32aにおける第2吸着部33と第2触媒層31との距離D2が、第2外周部32bにおける第2吸着部33と第2触媒層31との距離D2よりも大きくなるように、各第2吸着部33を配置することができる。なお、この距離D2は、上記第2吸着部33の含有率を測定する際に撮影した画像を用いて測定することができる。距離D2は、それぞれ測定した値の平均値とすることができる。
Modification 5
The distance D2 between the second adsorption portion 33 and the second catalyst layer 31 in the second central portion 32a is larger than the distance D2 between the second adsorption portion 33 and the second catalyst layer 31 in the second outer peripheral portion 32b. , Each second suction unit 33 can be arranged. The distance D2 can be measured by using the image taken when measuring the content rate of the second adsorption portion 33. The distance D2 can be the average value of the measured values.

変形例6
上記実施形態では、アノード3は、複数の第2吸着部33を有しているが、この構成に限定されない。例えば、アノード3は、第2吸着部33を有していなくてもよい。
Modification 6
In the above embodiment, the anode 3 has a plurality of second adsorption portions 33, but is not limited to this configuration. For example, the anode 3 does not have to have the second adsorption portion 33.

変形例7
上記実施形態では、電解質膜4の支持体5は、多孔質基材によって構成されているが、支持体5はこれに限定されない。例えば、電解質膜4の支持体5は、バインダであってもよい。例えば、図12に示すように、バインダとして構成されている支持体5は、イオン伝導体6の構成粒子間に配置されている。この支持体5は、イオン伝導体6の各構成粒子同士を結着する。例えば、支持体5は、LDH粒子同士を結着することによって、電解質膜4の形状を維持する。このようなバインダとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、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)、スチレン−ブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、又はエチレン−アクリル酸共重合体などを挙げることができる。
Modification 7
In the above embodiment, the support 5 of the electrolyte membrane 4 is composed of a porous base material, but the support 5 is not limited thereto. For example, the support 5 of the electrolyte membrane 4 may be a binder. For example, as shown in FIG. 12, the support 5 configured as a binder is arranged between the constituent particles of the ionic conductor 6. The support 5 binds the constituent particles of the ionic conductor 6 to each other. For example, the support 5 maintains the shape of the electrolyte membrane 4 by binding LDH particles to each other. Examples of such a binder include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and vinylidene fluoride-hexa. Fluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene Polymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, or ethylene-acrylic acid co-polymer Polymers and the like can be mentioned.

変形例8
上記実施形態では、電解質膜4は、複合部4a、第1膜状部4b、及び第2膜状部4cを有することとしたが、複合部4aのみを有していてもよい。すなわち、電解質膜4は、第1膜状部4b及び第2膜状部4cの少なくとも一方を備えていなくてよい。
Modification 8
In the above embodiment, the electrolyte membrane 4 has the composite portion 4a, the first membrane-like portion 4b, and the second membrane-like portion 4c, but may have only the composite portion 4a. That is, the electrolyte membrane 4 does not have to include at least one of the first membrane-like portion 4b and the second membrane-like portion 4c.

変形例9
上記実施形態では、電解質膜4は、支持体5と、イオン伝導体6とを有していたが、この構成に限定されない。例えば、電解質膜4は、イオン伝導体6のみを有していてもよい。この場合、イオン伝導体6は、フッ素系高分子樹脂とすることができる。イオン伝導体は、主鎖と、側鎖とを有する。
Modification 9
In the above embodiment, the electrolyte membrane 4 has the support 5 and the ionic conductor 6, but the configuration is not limited to this. For example, the electrolyte membrane 4 may have only the ionic conductor 6. In this case, the ion conductor 6 can be a fluoropolymer resin. The ionic conductor has a main chain and a side chain.

主鎖は、炭素(C)及びフッ素(F)を含む。主鎖は、C−F結合を含み、かつ、C−H結合を含まない。主鎖の骨格は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)によって構成することができる。主鎖の骨格とは、炭素数が最大となる高分子内の炭素鎖を意味する。 The main chain contains carbon (C) and fluorine (F). The main chain contains a CF bond and does not contain a CH bond. The backbone skeleton can be composed of polytetrafluoroethylene (PTFE). The skeleton of the main chain means the carbon chain in the polymer having the maximum number of carbon atoms.

側鎖は、主鎖に連なる。側鎖は、主鎖から枝分かれしている。側鎖は、スルホンアルカリ基(-SO 基)を末端に含む。スルホンアルカリ基は、スルホン酸基(-SO 基)の水素イオン(H)がアルカリ金属イオン(M)に置換された構成を有する。アルカリ金属(M)としては、Li、K、Na、及びNHからなる群から選ばれた1種以上を用いることができる。スルホンアルカリ基は、スルホン酸基の水素イオンをアルカリ金属イオンにカチオン交換することによって得られる。側鎖は、カルボキシアルカリ基(-COO基)を末端に含んでいても良い。カルボキシアルカリ基は、カルボキシル基(-COO)の水素イオン(H)がアルカリ金属イオン(M)に置換された構成を有する。イオン伝導体の製造方法については後述する。 The side chain is connected to the main chain. The side chain is branched from the main chain. The side chain contains a sulfone alkaline group (-SO 3 - M + group) at the end. The sulfonic acid alkali group has a structure in which the hydrogen ion (H + ) of the sulfonic acid group (-SO 3 - H + group) is replaced with the alkali metal ion (M +). As the alkali metal (M), one or more selected from the group consisting of Li, K, Na, and NH 4 can be used. The sulfonic acid alkaline group is obtained by cation-exchange of the hydrogen ion of the sulfonic acid group with the alkali metal ion. The side chain may contain a carboxyalkali group (-COO - M + group) at the end. Carboxy alkali group, a carboxyl group - has a structure in which hydrogen ions (-COO H +) (H + ) has been replaced with an alkali metal ion (M +). The method for producing the ionic conductor will be described later.

このようなスルホンアルカリ基が導入されることによって、イオン伝導体は、アルカリ性環境下において、高いイオン伝導性を発現する。 By introducing such a sulfone alkaline group, the ionic conductor exhibits high ionic conductivity in an alkaline environment.

なお、イオン伝導体が有する全ての側鎖のうち少なくとも一つの側鎖がスルホンアルカリ基を有していれば、イオン伝導体は、イオン伝導性を発現することができる。イオン伝導性を向上させるには、イオン伝導体が有する全ての側鎖のうち50%以上の側鎖がスルホンアルカリ基を有していることが好ましく、80%以上の側鎖がスルホンアルカリ基を有していることがより好ましく、全ての側鎖がスルホンアルカリ基を有していることが特に好ましい。 If at least one side chain of all the side chains of the ionic conductor has a sulfonic alkali group, the ionic conductor can exhibit ionic conductivity. In order to improve ionic conductivity, it is preferable that 50% or more of the side chains of the ionic conductor have a sulfone alkali group, and 80% or more of the side chains have a sulfone alkali group. It is more preferable to have it, and it is particularly preferable that all side chains have a sulfone alkali group.

イオン伝導体の構造は、下記一般式(1)によって表すことができる。

Figure 2021163748
The structure of the ionic conductor can be represented by the following general formula (1).
Figure 2021163748

一般式(1)において、Mは上述したアルカリ金属であり、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。一般式(1)において、x及びyは整数であり、xは5以上14以下とすることができ、yは1000とすることができる。一般式(1)において、pは0以上3以下の整数であり、qは0又は1であり、nは1以上12以下の整数である。 In the general formula (1), M is the above-mentioned alkali metal, and X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group. In the general formula (1), x and y are integers, x can be 5 or more and 14 or less, and y can be 1000. In the general formula (1), p is an integer of 0 or more and 3 or less, q is 0 or 1, and n is an integer of 1 or more and 12 or less.

(イオン伝導体の製造方法)
次に、電解質膜4を構成するイオン伝導体の製造方法について説明する。
(Manufacturing method of ionic conductor)
Next, a method for producing the ionic conductor constituting the electrolyte membrane 4 will be described.

まず、パーフルオロスルホン酸ポリマーを準備する。パーフルオロスルホン酸ポリマーは、フッ素系高分子樹脂である。具体的には、パーフルオロスルホン酸ポリマーは、C−F結合からなる疎水性のパーフルオロカーボン骨格と、スルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖とから構成されるパーフルオロカーボン材料である。パーフルオロスルホン酸ポリマーの側鎖は、スルホン酸基を末端に含む。これにより、パーフルオロスルホン酸ポリマーは、プロトン伝導性を発現する。 First, a perfluorosulfonic acid polymer is prepared. The perfluorosulfonic acid polymer is a fluoropolymer resin. Specifically, the perfluorosulfonic acid polymer is a perfluorocarbon material composed of a hydrophobic perfluorocarbon skeleton composed of CF bonds and a perfluoro side chain having a sulfonic acid group. The side chain of the perfluorosulfonic acid polymer contains a sulfonic acid group at the end. As a result, the perfluorosulfonic acid polymer exhibits proton conductivity.

パーフルオロスルホン酸ポリマーとしては、ナフィオン(Nafion(登録商標)、デュポン社)、フレミオン(Flemion(登録商標)、旭硝子株式会社)、アシプレックス(Aciplex(登録商標)、旭化成株式会社)などの市販品を用いてもよい。 As perfluorosulfonic acid polymers, commercially available products such as Nafion (Nafion (registered trademark), DuPont), Flemion (Flemion (registered trademark), Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (Aciplex (registered trademark), Asahi Kasei Co., Ltd.) May be used.

パーフルオロスルホン酸ポリマーの構造は、下記一般式(2)によって表すことができる。

Figure 2021163748
The structure of the perfluorosulfonic acid polymer can be represented by the following general formula (2).
Figure 2021163748

一般式(2)において、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。一般式(2)において、x及びyは整数であり、xは5以上14以下とすることができ、yは1000とすることができる。一般式(2)において、pは0以上3以下の整数であり、qは0又は1であり、nは1以上12以下の整数である。 In the general formula (2), X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group. In the general formula (2), x and y are integers, x can be 5 or more and 14 or less, and y can be 1000. In the general formula (2), p is an integer of 0 or more and 3 or less, q is 0 or 1, and n is an integer of 1 or more and 12 or less.

次に、所望のアルカリ金属イオンを含有するアルカリ性溶液を準備する。アルカリ性溶液が含有するアルカリ金属イオンは、Li、K、Na、及びNHからなる群から選ばれる1種以上のアルカリ金属(M)のイオンである。従って、アルカリ性溶液としては、水酸化カリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、炭酸カリウム、又は炭酸水素カリウムなどを用いることができる。アルカリ性溶液におけるアルカリ金属イオンの濃度は、後述するカチオン交換が十分行われる程度であればよく特に制限されないが、例えば、0.01〜1mol/Lとすることができる。 Next, an alkaline solution containing the desired alkali metal ion is prepared. Alkali metal ions contained in the alkaline solution is a Li, K, Na, and one or more ions of alkali metal (M) selected from the group consisting of NH 4. Therefore, as the alkaline solution, potassium hydroxide solution, sodium hydroxide solution, potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate and the like can be used. The concentration of the alkali metal ion in the alkaline solution is not particularly limited as long as the cation exchange described later is sufficiently performed, but can be, for example, 0.01 to 1 mol / L.

次に、アルカリ性溶液を用いて、パーフルオロスルホン酸ポリマーにアルカリ処理を施す。このアルカリ処理では、パーフルオロスルホン酸ポリマーをアルカリ性溶液に浸漬してもよいし、パーフルオロスルホン酸ポリマーにアルカリ性溶液を含浸させてもよいし、パーフルオロスルホン酸ポリマーにアルカリ性溶液を塗布してもよい。アルカリ処理は、室温(例えば、10〜30℃)で行うことができる。 Next, the perfluorosulfonic acid polymer is subjected to an alkaline treatment using an alkaline solution. In this alkaline treatment, the perfluorosulfonic acid polymer may be immersed in an alkaline solution, the perfluorosulfonic acid polymer may be impregnated with an alkaline solution, or the perfluorosulfonic acid polymer may be coated with an alkaline solution. good. The alkaline treatment can be performed at room temperature (for example, 10 to 30 ° C.).

このアルカリ処理によって、パーフルオロスルホン酸ポリマーが有する側鎖の末端に位置するスルホン酸基(-SO 基)の水素イオン(H)をアルカリ金属イオン(M)にカチオン置換する。その結果、上記一般式(1)によって表されるアルカリ性溶液中にて高いイオン伝導性を示すようになる。 By this alkali treatment, the hydrogen ion (H + ) of the sulfonic acid group (-SO 3 - H + group) located at the end of the side chain of the perfluorosulfonic acid polymer is cation-substituted with the alkali metal ion (M +). .. As a result, it exhibits high ionic conductivity in the alkaline solution represented by the general formula (1).

変形例10
第1吸着部23は、陽イオン交換能を有していてもよい。好ましくは、第1吸着部23は、多価の陽イオンに対してイオン交換能を有する。なお、第1吸着部23は、多価の陽イオンに対してのみイオン交換能を有し、1価の陽イオンに対してはイオン交換能を有していなくてもよい。第1吸着部23は、Fe2+、Fe3+、Cr2+、及びNi2+などを吸着する。
Modification 10
The first adsorption unit 23 may have a cation exchange ability. Preferably, the first adsorption unit 23 has an ion exchange ability for polyvalent cations. The first adsorption unit 23 may have an ion exchange ability only for polyvalent cations and may not have an ion exchange ability for monovalent cations. The first adsorption unit 23 adsorbs Fe 2+ , Fe 3+ , Cr 2+ , Ni 2+ and the like.

詳細には、第1吸着部23は、吸着材と触媒とを含んでいる。第1吸着部23に含まれる吸着材は、陽イオン交換能を有する。なお、第1吸着部23に含まれる吸着材の材料は、例えば、変形例5において説明した電解質膜4のイオン伝導体によって構成することができる。その他に、第1吸着部23に含まれる吸着材は、パラジウム、又はニッケルなどによって構成することもできる。なお、第2吸着部33も、上記第1吸着部23と同様に、陽イオン交換能を有していてもよい。 Specifically, the first adsorption unit 23 includes an adsorbent and a catalyst. The adsorbent contained in the first adsorbent 23 has a cation exchange ability. The material of the adsorbent contained in the first adsorbent 23 can be composed of, for example, the ionic conductor of the electrolyte membrane 4 described in the modified example 5. In addition, the adsorbent contained in the first adsorbent 23 may be made of palladium, nickel, or the like. The second adsorption unit 33 may also have a cation exchange ability like the first adsorption unit 23.

変形例7
上記実施形態では、本発明に係る燃料電池を固体アルカリ形燃料電池に適用した実施形態を説明したが、本発明に係る燃料電池が適用される対象は固体アルカリ形燃料電池に限定されず、例えば、プロトン伝導膜を用いた固体高分子形燃料電池などの他の燃料電池にも適用することができる。
Modification 7
In the above embodiment, the embodiment in which the fuel cell according to the present invention is applied to the polymer electrolyte fuel cell has been described, but the object to which the fuel cell according to the present invention is applied is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, for example. It can also be applied to other fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells using a proton conductive film.

4 電解質膜
10 膜電極接合体
21 第1触媒層
22 第1ガス拡散層
23 第1吸着部
31 第2触媒層
32 第2ガス拡散層
33 第2吸着部
4 Electrolyte film 10 Membrane electrode assembly 21 1st catalyst layer 22 1st gas diffusion layer 23 1st adsorption part 31 2nd catalyst layer 32 2nd gas diffusion layer 33 2nd adsorption part

Claims (15)

電解質膜と、
酸素還元反応に対する触媒活性を有し、前記電解質膜上に配置される第1触媒層と、
前記第1触媒層上に配置される第1ガス拡散層と、
酸素還元反応に対する触媒活性を有する触媒を含み、前記第1ガス拡散層の内部に配置される少なくとも一つの第1吸着部と、
を備える、膜電極接合体。
Electrolyte membrane and
A first catalyst layer having catalytic activity for an oxygen reduction reaction and arranged on the electrolyte membrane,
The first gas diffusion layer arranged on the first catalyst layer and
A catalyst having catalytic activity for an oxygen reduction reaction, and at least one first adsorption portion arranged inside the first gas diffusion layer.
Membrane electrode assembly.
複数の前記第1吸着部を備え、
前記複数の第1吸着部は、互いに間隔をあけて配置される、
請求項1に記載の膜電極接合体。
It is provided with a plurality of the first suction portions.
The plurality of first suction portions are arranged at intervals from each other.
The membrane electrode assembly according to claim 1.
前記第1吸着部は、前記第1触媒層と間隔をあけて配置される、
請求項1又は2に記載の膜電極接合体。
The first adsorption portion is arranged at a distance from the first catalyst layer.
The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記第1ガス拡散層は、第1中央部と、前記第1中央部を囲む第1外周部と、を有する、
請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体。
The first gas diffusion layer has a first central portion and a first outer peripheral portion surrounding the first central portion.
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3.
前記第1吸着部は、前記第1中央部の内部に配置され、前記第1外周部の内部に配置されていない、
請求項4に記載の膜電極接合体。
The first suction portion is arranged inside the first central portion and is not arranged inside the first outer peripheral portion.
The membrane electrode assembly according to claim 4.
前記第1中央部における前記第1吸着部の含有率は、前記第1外周部における前記第1吸着部の含有率よりも大きい、
請求項4に記載の膜電極接合体。
The content of the first adsorption portion in the first central portion is larger than the content of the first adsorption portion in the first outer peripheral portion.
The membrane electrode assembly according to claim 4.
前記第1中央部における前記第1吸着部と前記第1触媒層との距離は、前記第1外周部における前記第1吸着部と前記第1触媒層との距離よりも大きい、
請求項4から6のいずれかに記載の膜電極接合体。
The distance between the first adsorption portion and the first catalyst layer in the first central portion is larger than the distance between the first adsorption portion and the first catalyst layer in the first outer peripheral portion.
The membrane electrode assembly according to any one of claims 4 to 6.
燃料の酸化反応に対する触媒活性を有し、前記第1触媒層と反対側において前記電解質膜上に配置される第2触媒層と、
前記第2触媒層上に配置される第2ガス拡散層と、
をさらに備える、請求項1から7のいずれかに記載の膜電極接合体。
A second catalyst layer having catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel and arranged on the electrolyte membrane on the opposite side of the first catalyst layer.
A second gas diffusion layer arranged on the second catalyst layer and
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, further comprising.
燃料の酸化反応に対する触媒活性を有する触媒を含み、前記第2ガス拡散層の内部に配置される少なくとも一つの第2吸着部、
をさらに備える、請求項8に記載の膜電極接合体。
At least one second adsorption portion, which contains a catalyst having catalytic activity for the oxidation reaction of fuel and is arranged inside the second gas diffusion layer.
8. The membrane electrode assembly according to claim 8.
複数の前記第2吸着部を備え、
前記複数の第2吸着部は、互いに間隔をあけて配置される、
請求項9に記載の膜電極接合体。
With a plurality of the second suction portions,
The plurality of second suction portions are arranged at intervals from each other.
The membrane electrode assembly according to claim 9.
前記第2吸着部は、前記第2触媒層と間隔をあけて配置される、
請求項9又は10に記載の膜電極接合体。
The second adsorption portion is arranged at a distance from the second catalyst layer.
The membrane electrode assembly according to claim 9 or 10.
前記第2ガス拡散層は、第2中央部と、前記第2中央部を囲む第2外周部と、を有する、
請求項9から11のいずれかに記載の膜電極接合体。
The second gas diffusion layer has a second central portion and a second outer peripheral portion surrounding the second central portion.
The membrane electrode assembly according to any one of claims 9 to 11.
前記第2吸着部は、前記第2中央部の内部に配置され、前記第2外周部の内部に配置されていない、
請求項12に記載の膜電極接合体。
The second suction portion is arranged inside the second central portion and is not arranged inside the second outer peripheral portion.
The membrane electrode assembly according to claim 12.
前記第2中央部における前記第2吸着部の含有率は、前記第2外周部における前記第2吸着部の含有率よりも大きい、
請求項12に記載の膜電極接合体。
The content of the second adsorption portion in the second central portion is larger than the content of the second adsorption portion in the second outer peripheral portion.
The membrane electrode assembly according to claim 12.
前記第2中央部における前記第2吸着部と前記第2触媒層との距離は、前記第2外周部における前記第2吸着部と前記第2触媒層との距離よりも大きい、
請求項12から14のいずれかに記載の膜電極接合体。
The distance between the second adsorption portion and the second catalyst layer in the second central portion is larger than the distance between the second adsorption portion and the second catalyst layer in the second outer peripheral portion.
The membrane electrode assembly according to any one of claims 12 to 14.
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08321315A (en) * 1995-05-25 1996-12-03 Mitsubishi Electric Corp Fuel cell
JP2001160406A (en) * 1999-12-06 2001-06-12 Toshiba Corp Electrode for solid polymer fuel cell and its manufacturing method
JP2003027269A (en) * 2001-07-11 2003-01-29 Choichi Furuya Catalyst-containing gas diffusion electrode
JP2004186050A (en) * 2002-12-04 2004-07-02 Honda Motor Co Ltd Electrode structure for solid polymer fuel cell
JP2005339962A (en) * 2004-05-26 2005-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer membrane electrode jointed body, polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method for polymer membrane electrode jointed body
JP2007213851A (en) * 2006-02-07 2007-08-23 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell and membrane electrode assembly therefor
JP2009032688A (en) * 2007-07-04 2009-02-12 Toshiba Corp Electrode-membrane assembly for fuel cell and fuel cell using it
JP2012054082A (en) * 2010-09-01 2012-03-15 Toyota Motor Corp Fuel cell system and mobile body incorporating the same

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08321315A (en) * 1995-05-25 1996-12-03 Mitsubishi Electric Corp Fuel cell
JP2001160406A (en) * 1999-12-06 2001-06-12 Toshiba Corp Electrode for solid polymer fuel cell and its manufacturing method
JP2003027269A (en) * 2001-07-11 2003-01-29 Choichi Furuya Catalyst-containing gas diffusion electrode
JP2004186050A (en) * 2002-12-04 2004-07-02 Honda Motor Co Ltd Electrode structure for solid polymer fuel cell
JP2005339962A (en) * 2004-05-26 2005-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer membrane electrode jointed body, polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method for polymer membrane electrode jointed body
JP2007213851A (en) * 2006-02-07 2007-08-23 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell and membrane electrode assembly therefor
JP2009032688A (en) * 2007-07-04 2009-02-12 Toshiba Corp Electrode-membrane assembly for fuel cell and fuel cell using it
JP2012054082A (en) * 2010-09-01 2012-03-15 Toyota Motor Corp Fuel cell system and mobile body incorporating the same

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