JP4396129B2

JP4396129B2 - Fuel cell electrode and fuel cell using the same

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Publication number: JP4396129B2
Application number: JP2003115591A
Authority: JP
Inventors: 光悦日比野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-04-21
Also published as: JP2004327057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用電極およびこれを用いる燃料電池、特に反応触媒を含む触媒層と電荷担体を輸送する電解質成分からなる電解質層とを備える燃料電池用電極およびこれを用いる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、通常燃料電池用電極を複数個組み合わせて構成されている。燃料電池用電極は、燃料ガスを電荷担体と電子とに解離する反応触媒を含む触媒層と生じた電荷担体を輸送する電解質層を有している。すなわち、アノード側に導入された燃料ガスは反応触媒によって電荷担体と電子とに解離され、生じた電荷担体は電解質層によってカソード側に輸送される。
【０００３】
図７には従来の固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子型燃料電池用電極７００が一例として示される。ここで電極７００は膜−電極接合体(ＭＥＡ:Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ)と呼ばれ、使用の際のアノードとなる方向からカソードとなる方向へ向かって、水素極拡散層３０ａ／水素極触媒層２０ａ／電解質膜１０／酸素極触媒層２０ｃ／酸素極拡散層３０ｃの順に積層して接合された構造をもつ。拡散層３０（水素極拡散層３０ａおよび酸素極拡散層３０ｃ）は、触媒層２０（水素極触媒層２０ａおよび酸素極触媒層２０ｃ）の表層に燃料ガスや酸化ガスを運ぶ流路の確保等を担っている。
【０００４】
例えば拡散層３０はカーボンペーパやカーボンクロスから構成される。電解質層としてイオン交換膜からなる電解質膜１０には、アノード側に水素極触媒層２０ａが接合され、カソード側に酸素極触媒層２０ｃが接合されている。さらに、水素極触媒層２０ａのアノード側には水素極拡散層３０ａが接合され、酸素極触媒層２０ｃのカソード側には酸素極拡散層３０ｃが接合されているという構造である。このような構造の膜−電極接合体である燃料電池用電極を複数用いて燃料電池は通常構成される。
【０００５】
アノード側の水素極拡散層３０ａに燃料ガスである水素（Ｈ₂)が供給されると、水素は拡散層３０により白金触媒（Ｐｔ）を含む水素極触媒層２０ａへ輸送される。水素極触媒層２０ａで白金触媒により水素が電荷担体であるプロトンと電子に解離する（Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ）。生成したプロトンは電荷担体として電解質膜１０によってカソード側の酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。一方、水素から解離した電子は水素極触媒層２０ａから集電体（図示せず）へと集められ外部回路を通じて酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。カソード側では酸素極拡散層３０ｃに酸化ガス（酸素：Ｏ₂、通常は空気）が供給される。また酸素がカソード側から供給され、酸素極拡散層３０ｃによって白金（Ｐｔ）を含む酸素極触媒層２０ｃへ輸送されると白金の触媒活性によりアノード側から輸送されてきたプロトンおよび電子と反応して水を生成する（２Ｈ⁺＋２ｅ＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）。このようにして燃料電池用電極７００は外部回路へ電力を供給できる。
【０００６】
燃料電池の出力を向上させ、安定化させるには膜−電極接合体の出力を向上させ、安定化させる必要がある。燃料電池用電極を改善して、出力の向上等を図ったものとして以下の特許文献１〜４が報告されている。
【０００７】
特許文献１では、固体高分子型燃料電池用電極において、電解質膜に金属等を被覆させ、燃料ガス等のクロスオーバを防止できる燃料電池用電極が報告されている。
【０００８】
特許文献２では、リン酸塩型燃料電池用電極において、電解質に触媒層を構成する金属を溶解させておくことで、触媒層が電解質層へ溶出することを防止したことが報告されている。また特許文献３、４では、拡散層に有孔性樹脂等を用いて出力を改善した燃料電池用電極が報告されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２１２５７０号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２９４６１号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２８２０６号公報
【特許文献４】
特開２００１−２８３８６６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池用電極は高温、高圧下などで使用される。そのような環境では触媒層から触媒が溶出する場合がある。溶出した触媒は触媒層から電解質層へと至り、電解質層へ溶解する。触媒は白金等の導電性材料であることが多い。このような導電性材料が電解質層へ溶解すると、電解質層の電子に対する絶縁性が低下する。電子への絶縁性が低下すると、アノード側で燃料ガスから解離した電子が電解質層を通じてカソード側へ直接移動してしまう。電子がこのように直接移動すると、外部回路へ移動する電子の数は減少する。電子の数の減少は、燃料電池用電極の出力を低下させてしまうことになる。
【００１１】
また、反応触媒が触媒層から溶出すると、触媒層における反応触媒の量が減少する。反応触媒の量が減少すると燃料ガスや酸化ガスの反応速度も減少する、反応速度が減少すると、燃料電池用電極の出力が低下してしまう。
【００１２】
特許文献１には、電解質層に金属等を被覆させた燃料電池用電極が報告されている。しかし、金属は触媒よりも溶出しやすい場合が多い。溶出した金属は電解質層に溶解し、電解質層の絶縁性を低下させてしまうので燃料電池用電極の出力が低下する。
【００１３】
特許文献２には、触媒の溶出を防止するために、予め電解質層に触媒を構成する成分金属を溶解させておくリン酸型燃料電池が報告されている。しかし、金属を電解質に溶解させては、電解質層の絶縁性が減少してしまうので、燃料電池用電極の出力は低下する。
【００１４】
さらに、燃料電池は複数の燃料電池用電極を用いて構成される。したがって、各燃料電池用電極の出力が低下すると燃料電池用電極の出力の低下は大きなものとなってしまう。
【００１５】
本発明は上記課題等を鑑みてなされたものであり、反応触媒を含む触媒層と、電荷担体を輸送する電解質成分からなる電解質層とを備える燃料電池用電極において、電解質層に反応触媒が溶解して絶縁性が低下し出力が低下すること等をより防止できる燃料電池用電極およびこれを用いる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題等を解決するために、本発明の反応により生じた電荷担体を輸送する電解質層と、反応触媒を含む触媒層と、を有する燃料電池用電極は、固体高分子型燃料電池用電極であって、前記電解質層と前記触媒層との間に、前記反応触媒よりも不活性な物質からなる不活性層を備えたこと、を特徴とする。
【００１７】
このように、反応触媒よりも不活性な物質からなる不活性層を備えたことによって、溶出した反応触媒が電解質層に至る前にブロックされる。よって溶出した反応触媒が電解質層に接触することをより防止することができる。このように溶出した反応触媒が電解質層に接触することを防止できるので、触媒層から溶出した反応触媒が電解質層中に溶解することも防止できる。したがって、反応触媒の溶解による電解質層の電子に対する絶縁性の低下を防止できる。
【００１８】
また、不活性層は触媒層における反応触媒量の低減を防止できる場合がある。反応触媒は燃料電池用電極の使用中に溶出することが多く、使用後は再び固体となって析出する。不活性層を触媒層と電解質層の間に備えれば、使用中に溶出した反応触媒が電解質層方向へ移動することを防止する。そうすると、使用中に溶出した反応触媒は移動が制限される。移動が制限されると、溶出した反応触媒は触媒層に使用後まで保留される確率が不活性層を備えない場合よりも大きくなる。使用後は反応触媒は析出するので、使用後まで触媒層に保留されていた反応触媒は触媒層で析出することになる。このようにして、反応触媒が使用中に溶出して低減しまうことを防止できる。反応触媒量の低減を防止できるので、反応触媒量の低減に伴う燃料電池用電極の出力低下を防止できる。
【００１９】
また、参考例として、上記燃料電池用電極は、前記反応触媒の溶出を防止する防止層を有し、前記不活性層と前記防止層との間に前記触媒層を備えていてもよい。ここで、前記防止層は電解質成分または前記反応触媒よりも不活性な成分からなっていてもよい。
【００２０】
このように不活性層に加え、防止層を備えると、使用中に溶出した反応触媒が電解質層と反対の方向へ移動することも防止できる。そうすると、使用中に溶出した反応触媒は電解質層と反対の方向への移動も制限される。移動が制限されると、溶出した反応触媒は触媒層に使用後まで保留される確率が防止層を備えない場合よりも大きくなる。使用後は反応触媒は析出するので、使用後まで触媒層に保留されていた反応触媒は触媒層で析出する。このようにして反応触媒が使用中に溶出して低減してしまうことを防止できる。反応触媒量の低減を防止できれば、反応触媒量の低減に伴う燃料電池用電極の出力低下を防止できる。さらに防止層を複数併用すればさらに反応触媒量を低減できる。
【００２１】
また、上記課題等を解決するために、参考例として、反応により生じた電荷担体を輸送する電解質層と、反応触媒を含む触媒層と、を有する燃料電池用電極は、前記反応触媒は粒子形状であって、前記反応触媒の表面は、前記反応触媒よりも不活性な物質に被覆されていること、を特徴とする。さらに上記燃料電池用電極のそれぞれは、前記反応触媒が粒子形状であって、前記反応触媒の表面は、前記反応触媒よりも不活性な物質に被覆されていてもよい。
【００２２】
このように、反応触媒よりも不活性な物質を被覆させたことによって、反応触媒が燃料電池用電極の使用中に溶出することを防止できる。溶出を防止すれば反応触媒量の低減を防止できるので、反応触媒量の低減に伴う燃料電池用電極の出力低下を防止できる。また、反応触媒が溶出することを防止できるので触媒層から溶出した反応触媒が電解質層中に溶解することも防止できる。したがって、反応触媒の溶解による電解質層の絶縁性の低下を防止できる。
【００２３】
上記燃料電池用電極は、前記反応触媒よりも不活性な物質が炭化珪素または窒化珪素であってもよい。
【００２４】
このように炭化珪素や窒化珪素のように化学的に極めて安定である絶縁体を不活性な物質として用いると、使用中に不活性な物質自体が溶出することも防止できる。
【００２５】
また、上記燃料電池用電極は、固体高分子型燃料電池用電極であってもよい。固体高分子型燃料電池用電極では電解質膜が強酸であることが多く、触媒が溶出しやすい場合が多い。よって、本発明の反応触媒が溶出しても電解質層の絶縁性や反応触媒の低減を防止できる構成を用いることが好適である。
【００２６】
また、上記課題等を解決するために本発明の燃料電池は、上記燃料電池用電極を複数個備えたことを特徴とする。燃料電池は複数の燃料電池用電極を用いて構成される。各燃料電池用電極の出力が低下すると燃料電池の出力低下は大きなものとなってしまう。しかし、本発明では各燃料電池用電極の出力の低下を防止できるので、燃料電池の出力低下を防止する。よって、安定して高出力な燃料電池を提供できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用電極の一例として固体高分子型燃料電池用電極（膜−電極接合体：ＭＥＡ)について説明する。なお、本発明の実施形態は、本発明の実施に関しての好ましい一例であって、本発明は、本実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
なお、以下の各実施形態では、固体高分子型燃料電池を例示しているために電解質層として第１電解質膜、反応触媒としてカーボン粒子に白金（Ｐｔ）を担持させた白金触媒およびこの白金触媒を含む白金触媒層を触媒層として用いている。電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系電解質膜を用いており、不活性層および不活性被膜には絶縁体である炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を用いている。ここで、本実施形態では第１電解質膜と防止層としての第２電解質膜、不活性層としての第１絶縁体層と防止層としての第２絶縁体層はそれぞれ同じ材質を用いているが、実際は同じ材質でなくてもよい。白金触媒はカーボンに担持させず白金を直接用いてもよい。不活性層は触媒層よりも燃料電池運転の環境下において化学的に安定であって、溶出に対して不活性な物質であればよい。また、不活性層はカソード側、アノード側のいずれか一方に少なくとも備えられていればよい。
【００２９】
「実施形態１」
図１には本実施形態の膜−電極接合体、ＭＥＡ１００が示される。ＭＥＡ１００は使用の際、アノードとなる方向からカソードとなる方向へ向かって水素極拡散層３０ａ／水素極触媒層２０ａ／水素極第１絶縁体層１５ａ／第１電解質膜１０／酸素極第１絶縁体層１５ｃ／酸素極触媒層２０ｃ／酸素極拡散層３０ｃの順に積層して接合された構造をもつ。すなわち、電解質膜１０には、アノード側に水素極第１絶縁体層１５ａが接合され、カソード側には酸素極第１絶縁体層１５ｃが接合されている。また水素極第１絶縁体層１５ａのアノード側には水素極触媒層２０ａが接合され、酸素極第１絶縁体層１５ｃのカソード側には酸素極触媒層２０ｃが接合されている。さらに、水素極触媒層２０ａのアノード側には水素極拡散層３０ａが接合され、酸素極触媒層２０ｃのカソード側には酸素極拡散層３０ｃが接合されている構造である。
【００３０】
次にＭＥＡ１００の使用の際の発電メカニズムについて説明する。アノード側の水素極拡散層３０ａに燃料ガスである水素（Ｈ₂)が供給されると、水素は拡散層３０ａにより白金触媒（Ｐｔ）を含む水素極触媒層２０ａへ輸送される。水素極触媒層２０ａで白金触媒により水素がプロトンと電子に解離する（Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ）。生成したプロトンは水素極第１絶縁体層１５ａを通じて電解質膜１０へと至る。電解質膜１０へと至ったプロトンは電解質膜１０によってカソード側の酸素極第１絶縁体層１５ｃへと至る。プロトンは酸素極第１絶縁体層１５ｃを通じて酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。ここで後述のように第１絶縁体層１５（水素極第１絶縁体層１５ａおよび酸素極第１絶縁体層１５ｃ）は非常に薄いのでプロトンが通過することに対する支障は殆どない。一方、水素から解離した電子は水素極触媒層２０ａから集電体（図示せず）へと集められ外部回路を通じて酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。カソード側では酸素極拡散層３０ｃに酸化ガス（酸素：Ｏ₂、通常は空気）が供給される。酸素がカソード側から供給され、酸素極拡散層３０ｃによって白金（Ｐｔ）を含む酸素極触媒層２０ｃへ輸送されると白金の触媒活性によりアノード側から輸送されてきたプロトンおよび電子と反応して水を生成する（２Ｈ⁺＋２ｅ＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）。このようにしてＭＥＡ１００は外部回路へ電力を供給できる。固体高分子型燃料電池はＭＥＡ１００を例えば数百個単位で直列接続し構成されている。このように複数のＭＥＡを直列接続して燃料電池自動車のモータ駆動などに必要となる数百Ｖの高電圧を得ることができる。
【００３１】
ＭＥＡ１００を備えた固体高分子型燃料電池において、ＭＥＡ１００中の不活性層１５がどのように作用するのかを説明する。
【００３２】
固体高分子型燃料電池は他の燃料電池と比較して低温（８０℃程度）で作動するが、この作動環境は常温に比べ高温であることには変わりはない。また、アノード及びカソードへと供給される燃料ガスや酸化ガスは概して高圧供給であり、高圧下で作動させられる。また、多数のＭＥＡ１００を直列接続している場合が一般的であり、そのような多数のＭＥＡ１００の直列接続は高電圧を生じさせる。このような高温、高圧、高電圧下では、貴な金属であって、金属の中でも最も溶出しがたい部類である白金であっても溶出する場合がある（特にカソード側の酸素極触媒層２０ｃの溶解が顕著である場合が多い）。さらに、従来技術では白金触媒は図７に示されるように電解質膜１０に直接接合されている。電解質膜１０は強酸であり、このような強酸下に触媒層２０がさらされた環境ではその強酸の作用によって白金の溶出はさらに進む。従来技術である図７では触媒層２０（水素極触媒層２０ａおよび酸素極触媒層２０ｃ）から溶出した白金は電解質膜１０へと至る。電解質膜１０に至った白金は電解質膜１０の中に溶解する。白金が電解質膜１０の中に溶解すると電解質膜の電子に対する絶縁性が低下することとなる。電解質膜１０の電子に対する絶縁性が低下すると、アノード側で燃料ガスから解離した電子が電解質膜１０を通じてカソード側へ直接移動してしまう。電子がこのように直接移動すると、外部回路（燃料電池車の駆動モータ等の負荷）へ移動する電子の数は減少する。電子の数の減少は、ＭＥＡ１００の出力を低下させてしまうことになる。
【００３３】
また、溶解した白金は水素や酸素の解離反応を補助しない。よって、触媒層２０の白金触媒量が低減する。触媒層２０における反応触媒の量が減少すると水素や酸素の反応速度も減少する、反応速度が減少すると、ＭＥＡ１００の出力が低下してしまう。
【００３４】
しかし、図１のように反応触媒よりも不活性な物質からなる第１絶縁体層１５を備えたことによって、触媒層２０から溶出した白金触媒が電解質膜１０に接触することをより防止できる。このように触媒層２０から溶出した反応触媒が電解質膜１０に接触することを防止できるので、触媒層２０から溶出した反応触媒が電解質膜１０に溶解することも防止できる。したがって、反応触媒の溶解による電解質層の絶縁性の低下を防止できる。さらには、第１絶縁体層１５の存在によって、触媒層２０の白金触媒が強酸である電解質膜１０に接触することも防止できる。
【００３５】
また、第１絶縁体層１５は触媒層２０における反応触媒量の低減を防止できる。白金触媒は使用中に溶出することが多く、使用後は再び固体となって析出する。第１の不活性層を触媒層２０と電解質膜１０の間に備えれば、使用中に溶出した反応触媒が電解質膜１０方向へ移動することを防止する。そうすると、使用中に溶出した反応触媒は移動が制限される。移動が制限されると、溶出した反応触媒は触媒層２０に使用後まで保留される確率が第１絶縁体層１５を備えない場合よりも大きくなる。使用後は反応触媒は析出するので、使用後まで触媒層に保留されていた反応触媒は触媒層２０で析出することになる。このようにして、反応触媒が使用中に溶出して、電解質膜１０に溶解したりして低減しまうことを防止できる。反応触媒量の低減を防止できるので、反応触媒量の低減に伴うＭＥＡ１００の出力低下を防止できる。
【００３６】
ＭＥＡ１００中の第１絶縁体層１５の製造方法は化学蒸着法（ＣＶＤ法）、物理蒸着法（ＰＶＤ法）など従来と同様の手法で層を形成させればよい。ここで、第１絶縁体層１５の膜厚は３ｎｍ〜１００ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍ〜２０ｎｍである。３ｎｍよりも第１絶縁体層１５の膜厚が薄いと均一な膜が形成できない場合がある。また、１００ｎｍよりも第１絶縁体層１５の膜厚が厚いとプロトンが通過しにくくなる場合がある。また第１絶縁体層１５は触媒層２０と第１電解質膜１０の間にあればよく、必ずしも触媒層２０および／または第１電解質膜１０と直接接合されていなくともよい。
【００３７】
「実施形態２」
図２には本実施形態の膜−電極接合体、ＭＥＡ２００が示される。ＭＥＡ２００は使用の際、アノードとなる方向からカソードとなる方向へ向かって水素極拡散層３０ａ／水素極第２電解質膜２５ａ／水素極触媒層２０ａ／水素極第１絶縁体層１５ａ／第１電解質膜１０／酸素極第１絶縁体層１５ｃ／酸素極触媒層２０ｃ／酸素極第２電解質膜２５ｃ／酸素極拡散層３０ｃの順に積層して接合された構造をもつ。すなわち、電解質膜１０には、アノード側に水素極第１絶縁体層１５ａが接合され、カソード側には酸素極第１絶縁体層１５ｃが接合されている。また、水素極第１絶縁体層１５ａのアノード側には水素極触媒層２０ａが接合され、酸素極第１絶縁体層１５ｃのカソード側には酸素極触媒層２０ｃが接合されている。さらに、水素極触媒層２０ａのアノード側には水素極第２電解質膜２５ａが接合され、酸素極触媒層２０ｃのカソード側には酸素極第２電解質膜２５ｃが接合されている。水素極第２電解質膜２５ａのアノード側には水素極拡散層３０ａが接合され、酸素極第２電解質膜２５ｃのカソード側には酸素極拡散層３０ｃが接合されている構造である。
【００３８】
次にＭＥＡ２００の使用の際の発電メカニズムについて説明する。アノード側の水素極拡散層３０ａに燃料ガスである水素（Ｈ₂)が供給されると、水素は拡散層３０ａを通じ、水素極第２電解質膜２５ａを通じて白金触媒（Ｐｔ）を含む水素極触媒層２０ａへ輸送される。水素極触媒層２０ａで白金触媒により水素がプロトンと電子に解離する（Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ）。生成したプロトンは水素極第１絶縁体層１５ａを通じて電解質膜１０へと至る。電解質膜１０へと至ったプロトンは電解質膜１０によってカソード側の酸素極第１絶縁体層１５ｃへと至る。プロトンは酸素極第１絶縁体層１５ｃを通じて酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。一方、水素から解離した電子は水素極触媒層２０ａから集電体（図示せず）へと集められ外部回路を通じて酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。カソード側では酸素極拡散層３０ｃに酸化ガス（酸素：Ｏ₂、通常は空気）が供給される。酸素がカソード側から供給され、酸素極拡散層３０ｃを通じ、酸素極第２電解質膜２５ｃを通じて白金（Ｐｔ）を含む酸素極触媒層２０ｃへ輸送される。酸素極触媒層２０ｃでは白金の触媒活性によりアノード側から輸送されてきたプロトンおよび電子と反応して水を生成する（２Ｈ⁺＋２ｅ＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）。このようにしてＭＥＡ２００は外部回路へ電力を供給できる。
【００３９】
ＭＥＡ２００を備えた固体高分子型燃料電池において、ＭＥＡ２００中の第２電解質膜２５がどのように作用するのかを説明する。
【００４０】
ＭＥＡ２００は実施形態１で説明した理由から第１絶縁体層１５によって第１電解質膜１０へ触媒層２０の白金が溶出することを防止されている。実施形態２ではさらに触媒層２０に対して第１電解質膜１０とは反対方向に第２電解質膜２５（水素極第２電解質膜２５ａおよび酸素極第２電解質膜２５ｃ）を形成させたものである。第２電解質膜２５は水素ガスおよび酸素ガスが通過するのに支障がないほど薄い膜である。このように第１絶縁体層１５に加え、第２電解質膜２５を備えると、使用中に溶出した白金触媒が電解質膜１０と反対の方向へ移動することも防止できる。そうすると、使用中に溶出した白金触媒は電解質層と反対の方向への移動も制限される。移動が制限されると、溶出した反応触媒は触媒層に使用後まで保留される確率が第２電解質膜２５を備えない場合よりも大きくなる。使用後は反応触媒は析出するので、使用後まで触媒層２０に保留されていた反応触媒は触媒層で析出する。このようにして反応触媒が使用中に溶出して低減してしまうことを防止できる。反応触媒量の低減を防止できれば、反応触媒量の低減に伴うＭＥＡ２００の出力低下を防止できる。また、第２電解質膜２５を用いると第１電解質膜１０に溶解する触媒の量を低減することもできる。
【００４１】
ここで、第２電解質膜２５に白金触媒が溶解する場合もある。使用中に第２電解質膜２５に白金触媒が溶解すると、使用後には電解質膜２５中で白金が析出することになる。しかし、第２電解質膜２５は第１電解質膜１０と異なり、電子に対する絶縁性がそれほどなくてもよい。ＭＥＡ２００は第２電解質膜２５に絶縁性がなくとも、そのことのみを理由としてアノード側からカソード側へ電子が直接移動せず、出力の低下を生じないからである。また、第２電解質膜２５中で析出した白金は、次回の使用でも、反応補助に使用できる場合もある。第２電解質膜２５が極めて薄く水素ガスおよび酸素ガスが通過するので、その過程においてガスを解離できるからである。
【００４２】
ＭＥＡ２００の製造方法は、第２電解質膜２５に直接白金触媒を薄膜形成して触媒層２０を形成し、その形成後、他の層と接合する方法などが考えられる。本法ではＭＥＡ２００全体の白金触媒の低減のために第２電解質膜２５に直接白金触媒を薄膜形成する。本法を用いれば本実施形態２の構成は簡易に形成でき、白金触媒の溶出などによる出力低下などの不具合を防止するのに簡易で有効な構成である。
【００４３】
「実施形態３」
図３には本実施形態の膜−電極接合体、ＭＥＡ３００が示される。ＭＥＡ３００は使用の際、アノードとなる方向からカソードとなる方向へ向かって水素極拡散層３０ａ／水素極第２電解質膜２５ａ／水素極第２絶縁体層２３ａ／水素極触媒層２０ａ／水素極第１絶縁体層１５ａ／第１電解質膜１０／酸素極第１絶縁体層１５ｃ／酸素極触媒層２０ｃ／酸素極第２絶縁体層２３ｃ／酸素極第２電解質膜２５ｃ／酸素極拡散層３０ｃの順に積層して接合された構造をもつ。すなわち、電解質膜１０には、アノード側に水素極第１絶縁体層１５ａが接合され、カソード側には酸素極第１絶縁体層１５ｃが接合されている。また、水素極第１絶縁体層１５ａのアノード側には水素極触媒層２０ａが接合され、酸素極第１絶縁体層１５ｃのカソード側には酸素極触媒層２０ｃが接合されている。水素極触媒層２０ａのアノード側には水素極第２絶縁体層２３ａが接合され、酸素極触媒層２０ｃのカソード側には酸素極第２絶縁体層２３ｃが接合されている。水素極第２絶縁体層２３ａのアノード側には水素極第２電解質膜２５ａが接合され、酸素極第２絶縁体層２３ｃのカソード側には酸素極第２電解質膜２５ｃが接合されている。水素極第２電解質膜２５ａのアノード側には水素極拡散層３０ａが接合され、酸素極第２電解質膜２５ｃのカソード側には酸素極拡散層３０ｃが接合されている構造である。
【００４４】
次にＭＥＡ３００の使用の際の発電メカニズムについて説明する。アノード側の水素極拡散層３０ａに燃料ガスである水素（Ｈ₂)が供給されると、水素は拡散層３０ａを通じ、水素極第２電解質膜２５ａを通じて、水素極第２絶縁体層２３ａへと至る。水素ガスは水素極第２絶縁体層２３ａを通過して白金触媒（Ｐｔ）を含む水素極触媒層２０ａへ輸送される。水素極触媒層２０ａで白金触媒により水素がプロトンと電子に解離する（Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ）。生成したプロトンは水素極第１絶縁体層１５ａを通じて電解質膜１０へと至る。電解質膜１０へと至ったプロトンは電解質膜１０によってカソード側の酸素極第１絶縁体層１５ｃへと至る。プロトンは酸素極第１絶縁体層１５ｃを通じて酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。一方、水素から解離した電子は水素極触媒層２０ａから集電体（図示せず）へと集められ外部回路を通じて酸素極触媒層２０ｃへと輸送される。カソード側では酸素極拡散層３０ｃに酸化ガス（酸素：Ｏ₂、通常は空気）が供給される。酸素がカソード側から供給され、酸素極拡散層３０ｃを通じ、酸素極第２電解質膜２５ｃを通じて酸素極第２絶縁体層２３ｃへと至る。酸素ガスは酸素極第２絶縁体層２３ｃを通じて白金（Ｐｔ）を含む酸素極触媒層２０ｃへ輸送される。酸素極触媒層２０ｃでは白金の触媒活性によりアノード側から輸送されてきたプロトンおよび電子と反応して水を生成する（２Ｈ⁺＋２ｅ＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）。このようにしてＭＥＡ３００は外部回路へ電力を供給できる。
【００４５】
ＭＥＡ３００を備えた固体高分子型燃料電池において、ＭＥＡ３００中の第２絶縁体層がどのように作用するのかを説明する。
【００４６】
ＭＥＡ３００は実施形態３で説明した理由から第１絶縁体層１５および第２電解質膜２５によって第１電解質膜１０へ触媒層２０の白金が溶出することが防止されている。実施形態３ではさらに触媒層２０と第２電解質膜２５の間に第２絶縁体層２３（水素極第２絶縁体層２３ａおよび酸素極第２絶縁体層２３ｃ）を形成させたものである。第２絶縁体層２３および第２電解質膜２５は水素ガスおよび酸素ガス等が通過するのに支障がないほど薄い。図３では第２絶縁体層によって、第２電解質層に溶解する触媒も低減することができる。そうすると、使用中に溶出した白金触媒は電解質層と反対の方向への移動も第２絶縁体層２３によってより制限される。移動がより制限されると、溶出した反応触媒は触媒層２０に使用後まで保留される確率がより大きくなる。使用後は反応触媒は析出するので、使用後まで触媒層２０に保留されていた反応触媒は触媒層で析出する。このようにして反応触媒が使用中に溶出して低減してしまうことを防止できる。反応触媒量の低減を防止できれば、反応触媒量の低減に伴う燃料電池用電極の出力低下を防止できる。
【００４７】
「参考例」
図４には参考例の膜−電極接合体、ＭＥＡ４００が示される。ＭＥＡ４００は使用の際、アノードとなる方向からカソードとなる方向へ向かって水素極拡散層３０ａ／水素極被覆触媒層４０ａ／第１電解質膜１０／酸素極被覆触媒層４０ｃ／酸素極拡散層３０ｃの順に積層して接合された構造をもつ。すなわち、電解質膜１０のアノード側には水素極被覆触媒層４０ａが接合され、カソード側には酸素極触媒層２０ｃが接合されている。さらに、水素極触媒層２０ａのアノード側には水素極拡散層３０ａが接合され、酸素極触媒層２０ｃのカソード側には酸素極拡散層３０ｃが接合されている構造である。
【００４８】
ここで、被覆触媒層４０（水素極被覆触媒層４０ａおよび酸素極被覆触媒層４０ｃ）は図６で示される白金触媒粒子５０で構成される触媒層である。すなわち、白金４１をカーボン４２に担持させた白金触媒粒子５０の表面が不活性被膜４３によって覆われている構造である。このように、反応触媒である白金４１よりも不活性な物質である不活性被膜４３を被覆させたことによって、使用中に白金４１が溶出することをそもそも防止できる。溶出による白金触媒量の低減を防止できるので、白金触媒量の低減に伴う出力低下を防止できる。また、白金触媒が溶出することを防止できるので触媒層から溶出した反応触媒が電解質膜１０中に溶解することも防止できる。したがって、反応触媒の溶解による電解質層の絶縁性の低下を防止できる。不活性被膜４３は十分に薄く、水素ガスや酸素ガスの反応の支障となることはない。ここで不活性被膜４３の厚さは３ｎｍ〜２００ｎｍ、好ましくは３ｎｍ〜５０ｎｍである。このような白金触媒粒子５０はゾルゲル法のディップコーティングなどで製造することができる。
【００４９】
次にＭＥＡ４００の使用の際の発電メカニズムについて説明する。アノード側の水素極拡散層３０ａに燃料ガスである水素（Ｈ₂)が供給されると、水素は拡散層３０ａにより白金触媒（Ｐｔ）を含む水素極被覆触媒層４０ａへ輸送される。水素極被覆触媒層４０ａで白金触媒５０により水素がプロトンと電子に解離する（Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ）。生成したプロトンは電解質膜１０へと至る。プロトンは電解質膜１０によってカソード側の酸素極被覆触媒層４０ｃへと輸送される。一方、水素から解離した電子は水素極被覆触媒層４０ａから集電体（図示せず）へと集められ外部回路を通じて酸素極被覆触媒層４０ｃへと輸送される。カソード側では酸素極拡散層３０ｃに酸化ガス（酸素：Ｏ₂、通常は空気）が供給される。酸素がカソード側から供給され、酸素極拡散層３０ｃによって白金（Ｐｔ）を含む酸素極被覆触媒層４０ｃへ輸送されると白金の触媒活性によりアノード側から輸送されてきたプロトンおよび電子と反応して水を生成する（２Ｈ⁺＋２ｅ＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）。このようにしてＭＥＡ４００は外部回路へ電力を供給できる。
【００５０】
「実施形態５」
図５には本実施形態の膜−電極接合体、ＭＥＡ５００が示される。ＭＥＡ５００は使用の際、アノードとなる方向からカソードとなる方向へ向かって水素極拡散層３０ａ／水素極被覆触媒層４０ａ／水素極第１絶縁体層１５ａ／第１電解質膜１０／酸素極第１絶縁体層１５ｃ／酸素極被覆触媒層４０ｃ／酸素極拡散層３０ｃの順に積層して接合された構造をもつ。すなわち、電解質膜１０には、アノード側に水素極第１絶縁体層１５ａが接合され、カソード側には酸素極第１絶縁体層１５ｃが接合されている。また水素極第１絶縁体層１５ａのアノード側には水素極被覆触媒層４０ａが接合され、酸素極第１絶縁体層１５ｃのカソード側には酸素極被覆触媒層４０ｃが接合されている。さらに、水素極触媒層２０ａのアノード側には水素極拡散層３０ａが接合され、酸素極被覆触媒層４０ｃのカソード側には酸素極拡散層３０ｃが接合されている構造である。すなわち、実施形態４の構造に第１絶縁体層１５を加えた構造である。ＭＥＡ５００の使用の際の発電メカニズムについては実施形態１と同様である。このような構成とすると、さらに第１の電解質膜１０の絶縁性の低下や触媒量の低減を防止できる。
【００５１】
上記各実施形態において不活性層や不活性被膜は、前記反応触媒よりも化学的に不活性な物質であれば何であってもよい。また、上記燃料電池用電極は、固体高分子型燃料電池用電極を用いたがリン酸塩型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型燃料電池用電極などであってもよい。
【００５２】
また、本発明の燃料電池用電極を用いれば、各燃料電池用電極の出力の低下を防止できるので、それを多く用いている燃料電池の出力低下を大きく防止できる。よって、安定した高出力な燃料電池を提供できる。
【００５３】
【実施例】
図１〜５に示される本実施形態１〜３，５及び参考例のＭＥＡをそれぞれ、実施例１（図１）、実施例２（図２）、実施例３（図３）、参考例（図４）、実施例５（図５）とし、図７で示される従来のＭＥＡを比較例として、第１電解質膜に析出する白金触媒の量を測定した。測定は各ＭＥＡを電流密度０．１Ａ／ｃｍ^２、５００ｈｒ運転した後の第１電解質膜に対して行った。第１電解質膜の断片をサンプルとして採取し、そのサンプルをＳＥＭで析出した白金触媒の量を観察した。
【００５４】
「結果」
運転後の第１電解質膜のＳＥＭ観察により、第１電解質膜に析出した白金触媒の量は比較例を１として、実施例１は約１／３、実施例２は約１／４、実施例３は約１／６、参考例は約１／６、実施例５は約１／１０であった。その結果、白金触媒の析出量の多さの順序は、比較例＞実施例１＞実施例２＞実施例３、参考例＞実施例５の順序となった。
【００５５】
「評価」
実施例はいずれも比較例よりも顕著に第１電解質膜に析出する白金の量を低減することができることがわかった。それに伴って第１電解質膜１０の絶縁性の低下の防止や有効な触媒量の低減を防止できることがわかった。特に実施例５のように不活性層と不活性被膜の白金触媒を併用すると顕著に電解質膜１０への析出白金量を低減できることがわかった。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、反応により生じた電荷担体を輸送する電解質層と、反応触媒を含む触媒層と、を有する燃料電池用電極は、電解質層に反応触媒が溶解して絶縁性が低下し、より出力等の低下等を防止できる燃料電池用電極およびこれを用いる燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態１の膜−電極接合体を示す図である。
【図２】本実施形態２の膜−電極接合体を示す図である。
【図３】本実施形態３の膜−電極接合体を示す図である。
【図４】参考例の膜−電極接合体を示す図である。
【図５】本実施形態５の膜−電極接合体を示す図である。
【図６】参考例における不活性被膜で被覆された白金触媒粒子を示す図である。
【図７】従来技術の膜−電極接合体を示す図である。
【符号の説明】
１第１電解質膜、１５第１絶縁体層、２０触媒層、２３第２絶縁体層、２５第２電解質膜、３０拡散層、４０被覆触媒層、４１白金、４２カーボン、４３不活性被膜、５０被覆白金触媒、１００，２００，３００，４００，５００膜−電極接合体（ＭＥＡ）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell using the same, and more particularly to a fuel cell electrode including a catalyst layer containing a reaction catalyst and an electrolyte layer composed of an electrolyte component that transports a charge carrier, and a fuel cell using the same.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is usually configured by combining a plurality of fuel cell electrodes. The fuel cell electrode has a catalyst layer containing a reaction catalyst that dissociates fuel gas into charge carriers and electrons, and an electrolyte layer that transports the generated charge carriers. That is, the fuel gas introduced to the anode side is dissociated into charge carriers and electrons by the reaction catalyst, and the generated charge carriers are transported to the cathode side by the electrolyte layer.
[0003]
FIG. 7 shows an example of a polymer electrolyte fuel cell electrode 700 used in a conventional polymer electrolyte fuel cell. Here, the electrode 700 is called a membrane-electrode assembly (MEA), and the hydrogen electrode diffusion layer 30a / hydrogen electrode catalyst layer 20a from the anode direction to the cathode direction in use. / Electrolyte membrane 10 / oxygen electrode catalyst layer 20c / oxygen electrode diffusion layer 30c in this order. The diffusion layer 30 (hydrogen electrode diffusion layer 30a and oxygen electrode diffusion layer 30c) secures a flow path for carrying fuel gas and oxidizing gas to the surface layer of the catalyst layer 20 (hydrogen electrode catalyst layer 20a and oxygen electrode catalyst layer 20c). I'm in charge.
[0004]
For example, the diffusion layer 30 is composed of carbon paper or carbon cloth. An electrolyte membrane 10 made of an ion exchange membrane as an electrolyte layer has a hydrogen electrode catalyst layer 20a bonded to the anode side and an oxygen electrode catalyst layer 20c bonded to the cathode side. Further, the hydrogen electrode diffusion layer 30a is bonded to the anode side of the hydrogen electrode catalyst layer 20a, and the oxygen electrode diffusion layer 30c is bonded to the cathode side of the oxygen electrode catalyst layer 20c. A fuel cell is usually constituted by using a plurality of fuel cell electrodes that are membrane-electrode assemblies having such a structure.
[0005]
Hydrogen (H) as a fuel gas is applied to the anode-side hydrogen electrode diffusion layer 30a. ₂ ) Is supplied, the hydrogen is transported by the diffusion layer 30 to the hydrogen electrode catalyst layer 20a containing the platinum catalyst (Pt). Hydrogen is dissociated into protons and electrons as charge carriers by the platinum catalyst in the hydrogen electrode catalyst layer 20a (H ₂ → 2H ⁺ + 2e). The produced protons are transported to the cathode-side oxygen electrode catalyst layer 20c by the electrolyte membrane 10 as charge carriers. On the other hand, electrons dissociated from hydrogen are collected from the hydrogen electrode catalyst layer 20a to a current collector (not shown) and transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c through an external circuit. On the cathode side, an oxidizing gas (oxygen: O ₂ Usually air). Further, when oxygen is supplied from the cathode side and transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c containing platinum (Pt) by the oxygen electrode diffusion layer 30c, it reacts with protons and electrons transported from the anode side due to the catalytic activity of platinum. Generate water (2H ⁺ + 2e + (1/2) O ₂ → H ₂ O). In this way, the fuel cell electrode 700 can supply power to the external circuit.
[0006]
In order to improve and stabilize the output of the fuel cell, it is necessary to improve and stabilize the output of the membrane-electrode assembly. The following patent documents 1 to 4 have been reported as improving the output of the fuel cell electrode to improve the output.
[0007]
Patent Document 1 reports a fuel cell electrode that can prevent a crossover of a fuel gas or the like by coating a metal or the like on an electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell electrode.
[0008]
Patent Document 2 reports that, in a phosphate fuel cell electrode, the metal constituting the catalyst layer is dissolved in the electrolyte to prevent the catalyst layer from being eluted into the electrolyte layer. Patent Documents 3 and 4 report fuel cell electrodes whose output is improved by using a porous resin or the like for the diffusion layer.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-10-212570
[Patent Document 2]
JP 63-29461 A
[Patent Document 3]
JP 2000-228206 A
[Patent Document 4]
JP 2001-283866 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, fuel cell electrodes are used at high temperatures and high pressures. In such an environment, the catalyst may be eluted from the catalyst layer. The eluted catalyst reaches from the catalyst layer to the electrolyte layer and dissolves in the electrolyte layer. The catalyst is often a conductive material such as platinum. When such a conductive material dissolves in the electrolyte layer, the insulation of the electrolyte layer with respect to electrons decreases. When the insulating property to electrons decreases, the electrons dissociated from the fuel gas on the anode side move directly to the cathode side through the electrolyte layer. When electrons move directly in this way, the number of electrons moving to the external circuit decreases. A decrease in the number of electrons will reduce the output of the fuel cell electrode.
[0011]
Further, when the reaction catalyst is eluted from the catalyst layer, the amount of the reaction catalyst in the catalyst layer is reduced. When the amount of the reaction catalyst decreases, the reaction rate of the fuel gas and the oxidizing gas also decreases. When the reaction rate decreases, the output of the fuel cell electrode decreases.
[0012]
Patent Document 1 reports a fuel cell electrode in which an electrolyte layer is coated with a metal or the like. However, metals are often easier to elute than catalysts. The eluted metal dissolves in the electrolyte layer and lowers the insulating property of the electrolyte layer, so that the output of the fuel cell electrode decreases.
[0013]
Patent Document 2 reports a phosphoric acid fuel cell in which component metals constituting the catalyst are dissolved in advance in an electrolyte layer in order to prevent elution of the catalyst. However, if the metal is dissolved in the electrolyte, the insulating property of the electrolyte layer is reduced, so that the output of the fuel cell electrode is lowered.
[0014]
Furthermore, the fuel cell is configured using a plurality of fuel cell electrodes. Therefore, when the output of each fuel cell electrode decreases, the output of the fuel cell electrode decreases greatly.
[0015]
The present invention has been made in view of the above problems and the like. In a fuel cell electrode including a catalyst layer containing a reaction catalyst and an electrolyte layer made of an electrolyte component that transports a charge carrier, the reaction catalyst is dissolved in the electrolyte layer. Thus, an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode and a fuel cell using the same, which can further prevent a decrease in insulation and a decrease in output.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and the like, an electrode for a fuel cell having an electrolyte layer for transporting a charge carrier generated by the reaction of the present invention, and a catalyst layer containing a reaction catalyst, An electrode for a polymer electrolyte fuel cell, An inert layer made of a substance that is more inert than the reaction catalyst is provided between the electrolyte layer and the catalyst layer.
[0017]
As described above, by providing the inert layer made of a substance more inert than the reaction catalyst, the eluted reaction catalyst is blocked before reaching the electrolyte layer. Therefore, it is possible to further prevent the eluted reaction catalyst from coming into contact with the electrolyte layer. Since the reaction catalyst eluted in this way can be prevented from coming into contact with the electrolyte layer, the reaction catalyst eluted from the catalyst layer can also be prevented from dissolving in the electrolyte layer. Therefore, it is possible to prevent a decrease in insulating properties of the electrolyte layer from electrons due to the dissolution of the reaction catalyst.
[0018]
In addition, the inert layer may be able to prevent a reduction in the amount of reaction catalyst in the catalyst layer. The reaction catalyst often elutes during use of the fuel cell electrode, and again becomes solid after use. If the inert layer is provided between the catalyst layer and the electrolyte layer, the reaction catalyst eluted during use is prevented from moving toward the electrolyte layer. Then, movement of the reaction catalyst eluted during use is restricted. When the movement is limited, the reaction catalyst eluted has a higher probability of being retained in the catalyst layer until after use than when the inert layer is not provided. Since the reaction catalyst is deposited after use, the reaction catalyst retained in the catalyst layer until after use is deposited in the catalyst layer. In this way, it is possible to prevent the reaction catalyst from being eluted and reduced during use. Since the reduction of the amount of the reaction catalyst can be prevented, it is possible to prevent a decrease in the output of the fuel cell electrode accompanying the reduction of the amount of the reaction catalyst.
[0019]
Also, As a reference example, The fuel cell electrode may include a prevention layer that prevents the reaction catalyst from eluting, and the catalyst layer may be provided between the inert layer and the prevention layer. Here, the prevention layer may be composed of an electrolyte component or a component that is more inert than the reaction catalyst.
[0020]
When the prevention layer is provided in addition to the inert layer in this way, it is possible to prevent the reaction catalyst eluted during use from moving in the direction opposite to the electrolyte layer. Then, the reaction catalyst eluted during use is also restricted from moving in the direction opposite to the electrolyte layer. When the movement is restricted, the probability of the eluted reaction catalyst being retained in the catalyst layer until after use becomes larger than when the prevention layer is not provided. Since the reaction catalyst is deposited after use, the reaction catalyst retained in the catalyst layer until after use is deposited in the catalyst layer. In this way, it is possible to prevent the reaction catalyst from being eluted and reduced during use. If the reduction in the amount of the reaction catalyst can be prevented, it is possible to prevent a decrease in the output of the fuel cell electrode accompanying the reduction in the amount of the reaction catalyst. Furthermore, if a plurality of prevention layers are used in combination, the amount of reaction catalyst can be further reduced.
[0021]
In order to solve the above problems, etc. As a reference example, The electrode for a fuel cell having an electrolyte layer for transporting a charge carrier generated by the reaction and a catalyst layer containing a reaction catalyst, the reaction catalyst is in a particle shape, and the surface of the reaction catalyst is more than the reaction catalyst. Is also coated with an inert substance. Further, in each of the fuel cell electrodes, the reaction catalyst may have a particle shape, and the surface of the reaction catalyst may be coated with a substance that is more inert than the reaction catalyst.
[0022]
In this way, by coating a substance more inert than the reaction catalyst, it is possible to prevent the reaction catalyst from eluting during use of the fuel cell electrode. If the elution is prevented, a reduction in the amount of the reaction catalyst can be prevented, so that a decrease in the output of the fuel cell electrode accompanying the reduction in the amount of the reaction catalyst can be prevented. Moreover, since it can prevent that a reaction catalyst elutes, it can also prevent that the reaction catalyst eluted from the catalyst layer melt | dissolves in an electrolyte layer. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the insulating properties of the electrolyte layer due to the dissolution of the reaction catalyst.
[0023]
In the fuel cell electrode, the substance that is more inert than the reaction catalyst may be silicon carbide or silicon nitride.
[0024]
When an insulator that is extremely stable chemically like silicon carbide or silicon nitride is used as an inactive substance, it is possible to prevent the inactive substance from being eluted during use.
[0025]
The fuel cell electrode may be a polymer electrolyte fuel cell electrode. In a polymer electrolyte fuel cell electrode, the electrolyte membrane is often a strong acid, and the catalyst is likely to elute. Therefore, it is preferable to use a structure that can prevent the insulating property of the electrolyte layer and the reduction of the reaction catalyst even if the reaction catalyst of the present invention is eluted.
[0026]
Further, in order to solve the above-mentioned problems and the like, the fuel cell of the present invention is characterized by comprising a plurality of the fuel cell electrodes. The fuel cell is configured using a plurality of fuel cell electrodes. When the output of each fuel cell electrode decreases, the output decrease of the fuel cell becomes large. However, in the present invention, since the output of each fuel cell electrode can be prevented from decreasing, the output of the fuel cell is prevented from decreasing. Therefore, a stable and high output fuel cell can be provided.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a polymer electrolyte fuel cell electrode (membrane-electrode assembly: MEA) will be described as an example of the fuel cell electrode of the present invention. In addition, embodiment of this invention is a preferable example regarding implementation of this invention, and this invention is not limited to this embodiment.
[0028]
In each of the following embodiments, since a solid polymer fuel cell is illustrated, a platinum catalyst in which platinum (Pt) is supported on carbon particles as a reaction catalyst, a first electrolyte membrane as an electrolyte layer, and the platinum catalyst A platinum catalyst layer containing is used as the catalyst layer. The electrolyte membrane is a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, and the inert layer and the inert coating are insulators such as silicon carbide (SiC) and silicon nitride (Si _Three N _Four ) Is used. Here, in the present embodiment, the same material is used for the first electrolyte membrane, the second electrolyte membrane as the prevention layer, the first insulator layer as the inert layer, and the second insulator layer as the prevention layer. Actually, it does not have to be the same material. The platinum catalyst may be directly used without being supported on carbon. The inert layer may be a substance that is chemically more stable in the environment of fuel cell operation than the catalyst layer and is inert to elution. Further, the inert layer may be provided at least on either the cathode side or the anode side.
[0029]
“Embodiment 1”
FIG. 1 shows a membrane-electrode assembly, MEA 100 according to this embodiment. In use, the MEA 100 from the anode direction to the cathode direction is hydrogen electrode diffusion layer 30a / hydrogen electrode catalyst layer 20a / hydrogen electrode first insulator layer 15a / first electrolyte membrane 10 / oxygen electrode first insulation. The body layer 15c / the oxygen electrode catalyst layer 20c / the oxygen electrode diffusion layer 30c are stacked and joined in this order. That is, in the electrolyte membrane 10, the hydrogen electrode first insulator layer 15a is bonded to the anode side, and the oxygen electrode first insulator layer 15c is bonded to the cathode side. A hydrogen electrode catalyst layer 20a is bonded to the anode side of the hydrogen electrode first insulator layer 15a, and an oxygen electrode catalyst layer 20c is bonded to the cathode side of the oxygen electrode first insulator layer 15c. Further, the hydrogen electrode diffusion layer 30a is joined to the anode side of the hydrogen electrode catalyst layer 20a, and the oxygen electrode diffusion layer 30c is joined to the cathode side of the oxygen electrode catalyst layer 20c.
[0030]
Next, a power generation mechanism when the MEA 100 is used will be described. Hydrogen (H) as a fuel gas is applied to the anode-side hydrogen electrode diffusion layer 30a. ₂ ) Is supplied to the hydrogen electrode catalyst layer 20a containing the platinum catalyst (Pt) by the diffusion layer 30a. Hydrogen is dissociated into protons and electrons by the platinum catalyst in the hydrogen electrode catalyst layer 20a (H ₂ → 2H ⁺ + 2e). The generated protons reach the electrolyte membrane 10 through the hydrogen electrode first insulator layer 15a. The proton that reaches the electrolyte membrane 10 reaches the cathode-side oxygen electrode first insulator layer 15c through the electrolyte membrane 10. Protons are transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c through the oxygen electrode first insulator layer 15c. Here, as will be described later, the first insulator layer 15 (the hydrogen electrode first insulator layer 15a and the oxygen electrode first insulator layer 15c) is very thin, so there is almost no hindrance to the passage of protons. On the other hand, electrons dissociated from hydrogen are collected from the hydrogen electrode catalyst layer 20a to a current collector (not shown) and transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c through an external circuit. On the cathode side, an oxidizing gas (oxygen: O ₂ Usually air). When oxygen is supplied from the cathode side and transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c containing platinum (Pt) by the oxygen electrode diffusion layer 30c, it reacts with the protons and electrons transported from the anode side due to the catalytic activity of platinum to react with water. (2H ⁺ + 2e + (1/2) O ₂ → H ₂ O). In this way, the MEA 100 can supply power to the external circuit. The polymer electrolyte fuel cell is configured by connecting MEAs 100 in series in units of, for example, several hundred pieces. In this way, a plurality of MEAs are connected in series to obtain a high voltage of several hundred volts necessary for driving a motor of a fuel cell vehicle.
[0031]
How the inactive layer 15 in the MEA 100 works in the polymer electrolyte fuel cell including the MEA 100 will be described.
[0032]
The polymer electrolyte fuel cell operates at a lower temperature (about 80 ° C.) than other fuel cells, but the operating environment is still higher than the normal temperature. Further, the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the anode and the cathode are generally a high-pressure supply and are operated under a high pressure. Further, a large number of MEAs 100 are generally connected in series, and such a large number of MEAs 100 connected in series generates a high voltage. Under such high temperature, high pressure, and high voltage, even platinum, which is a noble metal and is the most difficult to elute among metals, may be eluted (particularly the oxygen electrode catalyst layer 20c on the cathode side). In many cases). Furthermore, in the prior art, the platinum catalyst is directly joined to the electrolyte membrane 10 as shown in FIG. The electrolyte membrane 10 is a strong acid. In an environment where the catalyst layer 20 is exposed to such a strong acid, the elution of platinum further proceeds by the action of the strong acid. In FIG. 7, which is the prior art, platinum eluted from the catalyst layer 20 (hydrogen electrode catalyst layer 20 a and oxygen electrode catalyst layer 20 c) reaches the electrolyte membrane 10. Platinum reaching the electrolyte membrane 10 is dissolved in the electrolyte membrane 10. When platinum is dissolved in the electrolyte membrane 10, the insulating properties of the electrolyte membrane with respect to electrons are lowered. When the insulating property of the electrolyte membrane 10 with respect to electrons decreases, the electrons dissociated from the fuel gas on the anode side move directly to the cathode side through the electrolyte membrane 10. When electrons move directly in this way, the number of electrons moving to an external circuit (load such as a drive motor of a fuel cell vehicle) decreases. A decrease in the number of electrons will reduce the output of the MEA 100.
[0033]
Also, the dissolved platinum does not assist the dissociation reaction of hydrogen or oxygen. Therefore, the amount of platinum catalyst in the catalyst layer 20 is reduced. When the amount of the reaction catalyst in the catalyst layer 20 decreases, the reaction rate of hydrogen and oxygen also decreases. When the reaction rate decreases, the output of the MEA 100 decreases.
[0034]
However, the provision of the first insulator layer 15 made of a substance more inert than the reaction catalyst as shown in FIG. 1 can further prevent the platinum catalyst eluted from the catalyst layer 20 from coming into contact with the electrolyte membrane 10. Thus, since the reaction catalyst eluted from the catalyst layer 20 can be prevented from coming into contact with the electrolyte membrane 10, the reaction catalyst eluted from the catalyst layer 20 can also be prevented from dissolving in the electrolyte membrane 10. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the insulating properties of the electrolyte layer due to the dissolution of the reaction catalyst. Furthermore, the presence of the first insulator layer 15 can also prevent the platinum catalyst of the catalyst layer 20 from coming into contact with the electrolyte membrane 10 that is a strong acid.
[0035]
Further, the first insulator layer 15 can prevent the amount of reaction catalyst in the catalyst layer 20 from being reduced. The platinum catalyst often elutes during use, and becomes solid again after use. If the first inert layer is provided between the catalyst layer 20 and the electrolyte membrane 10, the reaction catalyst eluted during use is prevented from moving toward the electrolyte membrane 10. Then, movement of the reaction catalyst eluted during use is restricted. When the movement is restricted, the probability that the eluted reaction catalyst is retained in the catalyst layer 20 until after use becomes larger than the case where the first insulator layer 15 is not provided. Since the reaction catalyst is deposited after use, the reaction catalyst retained in the catalyst layer until after use is deposited in the catalyst layer 20. In this way, it is possible to prevent the reaction catalyst from being eluted during use and dissolved in the electrolyte membrane 10 or reduced. Since reduction of the amount of reaction catalyst can be prevented, output reduction of MEA 100 accompanying reduction of the amount of reaction catalyst can be prevented.
[0036]
The first insulator layer 15 in the MEA 100 may be formed by a conventional method such as chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD). Here, the film thickness of the first insulator layer 15 is 3 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 20 nm. If the thickness of the first insulator layer 15 is less than 3 nm, a uniform film may not be formed. In addition, if the thickness of the first insulator layer 15 is greater than 100 nm, protons may not pass easily. Further, the first insulator layer 15 may be provided between the catalyst layer 20 and the first electrolyte membrane 10 and may not necessarily be directly joined to the catalyst layer 20 and / or the first electrolyte membrane 10.
[0037]
“Embodiment 2”
FIG. 2 shows a membrane-electrode assembly, MEA 200 according to this embodiment. When the MEA 200 is used, the hydrogen electrode diffusion layer 30a / hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a / hydrogen electrode catalyst layer 20a / hydrogen electrode first insulator layer 15a / first electrolyte from the anode direction to the cathode direction. The film 10 / the oxygen electrode first insulator layer 15c / the oxygen electrode catalyst layer 20c / the oxygen electrode second electrolyte film 25c / the oxygen electrode diffusion layer 30c are stacked and joined in this order. That is, in the electrolyte membrane 10, the hydrogen electrode first insulator layer 15a is bonded to the anode side, and the oxygen electrode first insulator layer 15c is bonded to the cathode side. The hydrogen electrode catalyst layer 20a is bonded to the anode side of the hydrogen electrode first insulator layer 15a, and the oxygen electrode catalyst layer 20c is bonded to the cathode side of the oxygen electrode first insulator layer 15c. Further, the hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a is joined to the anode side of the hydrogen electrode catalyst layer 20a, and the oxygen electrode second electrolyte membrane 25c is joined to the cathode side of the oxygen electrode catalyst layer 20c. The hydrogen electrode diffusion layer 30a is joined to the anode side of the hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a, and the oxygen electrode diffusion layer 30c is joined to the cathode side of the oxygen electrode second electrolyte membrane 25c.
[0038]
Next, a power generation mechanism when the MEA 200 is used will be described. Hydrogen (H) as a fuel gas is applied to the anode-side hydrogen electrode diffusion layer 30a. ₂ ) Is supplied to the hydrogen electrode catalyst layer 20a containing the platinum catalyst (Pt) through the diffusion layer 30a and the hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a. Hydrogen is dissociated into protons and electrons by the platinum catalyst in the hydrogen electrode catalyst layer 20a (H ₂ → 2H ⁺ + 2e). The generated protons reach the electrolyte membrane 10 through the hydrogen electrode first insulator layer 15a. The proton that reaches the electrolyte membrane 10 reaches the cathode-side oxygen electrode first insulator layer 15c through the electrolyte membrane 10. Protons are transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c through the oxygen electrode first insulator layer 15c. On the other hand, electrons dissociated from hydrogen are collected from the hydrogen electrode catalyst layer 20a to a current collector (not shown) and transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c through an external circuit. On the cathode side, an oxidizing gas (oxygen: O ₂ Usually air). Oxygen is supplied from the cathode side and transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c containing platinum (Pt) through the oxygen electrode diffusion layer 30c and through the oxygen electrode second electrolyte membrane 25c. The oxygen electrode catalyst layer 20c reacts with protons and electrons transported from the anode side by the catalytic activity of platinum to generate water (2H ⁺ + 2e + (1/2) O ₂ → H ₂ O). In this way, the MEA 200 can supply power to the external circuit.
[0039]
How the second electrolyte membrane 25 in the MEA 200 works in the polymer electrolyte fuel cell including the MEA 200 will be described.
[0040]
In the MEA 200, the platinum of the catalyst layer 20 is prevented from eluting to the first electrolyte membrane 10 by the first insulator layer 15 for the reason described in the first embodiment. In the second embodiment, the second electrolyte membrane 25 (hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a and oxygen electrode second electrolyte membrane 25c) is further formed on the catalyst layer 20 in the direction opposite to the first electrolyte membrane 10. . The second electrolyte membrane 25 is a thin film that does not hinder the passage of hydrogen gas and oxygen gas. When the second electrolyte membrane 25 is provided in addition to the first insulator layer 15 in this way, it is possible to prevent the platinum catalyst eluted during use from moving in the direction opposite to the electrolyte membrane 10. Then, the platinum catalyst eluted during use is also restricted from moving in the direction opposite to the electrolyte layer. When the movement is restricted, the probability that the eluted reaction catalyst is retained in the catalyst layer until after use becomes larger than the case where the second electrolyte membrane 25 is not provided. Since the reaction catalyst is deposited after use, the reaction catalyst retained in the catalyst layer 20 until after use is deposited in the catalyst layer. In this way, it is possible to prevent the reaction catalyst from being eluted and reduced during use. If the reduction of the amount of reaction catalyst can be prevented, the output reduction of MEA 200 accompanying the reduction of the amount of reaction catalyst can be prevented. In addition, when the second electrolyte membrane 25 is used, the amount of the catalyst dissolved in the first electrolyte membrane 10 can be reduced.
[0041]
Here, the platinum catalyst may be dissolved in the second electrolyte membrane 25. When the platinum catalyst is dissolved in the second electrolyte membrane 25 during use, platinum is deposited in the electrolyte membrane 25 after use. However, unlike the first electrolyte membrane 10, the second electrolyte membrane 25 may not have much insulation against electrons. This is because even if the MEA 200 is not insulative in the second electrolyte membrane 25, electrons do not move directly from the anode side to the cathode side only for that reason, and the output is not reduced. Further, the platinum deposited in the second electrolyte membrane 25 may be used for reaction assistance even in the next use. This is because the second electrolyte membrane 25 is so thin that hydrogen gas and oxygen gas pass through, and the gas can be dissociated in the process.
[0042]
As a method for manufacturing the MEA 200, a method of forming a catalyst layer 20 by directly forming a thin film of a platinum catalyst on the second electrolyte membrane 25, and joining the other layer after the formation may be considered. In this method, a thin platinum catalyst is directly formed on the second electrolyte membrane 25 in order to reduce the platinum catalyst of the entire MEA 200. If this method is used, the configuration of the second embodiment can be easily formed, and is a simple and effective configuration for preventing problems such as a decrease in output due to elution of the platinum catalyst.
[0043]
“Embodiment 3”
FIG. 3 shows a membrane-electrode assembly, MEA 300 according to this embodiment. When the MEA 300 is used, the hydrogen electrode diffusion layer 30a / hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a / hydrogen electrode second insulator layer 23a / hydrogen electrode catalyst layer 20a / hydrogen electrode first from the anode direction to the cathode direction. 1 insulator layer 15a / first electrolyte membrane 10 / oxygen electrode first insulator layer 15c / oxygen electrode catalyst layer 20c / oxygen electrode second insulator layer 23c / oxygen electrode second electrolyte membrane 25c / oxygen electrode diffusion layer 30c It has a structure in which layers are stacked and joined in order. That is, in the electrolyte membrane 10, the hydrogen electrode first insulator layer 15a is bonded to the anode side, and the oxygen electrode first insulator layer 15c is bonded to the cathode side. The hydrogen electrode catalyst layer 20a is bonded to the anode side of the hydrogen electrode first insulator layer 15a, and the oxygen electrode catalyst layer 20c is bonded to the cathode side of the oxygen electrode first insulator layer 15c. A hydrogen electrode second insulator layer 23a is joined to the anode side of the hydrogen electrode catalyst layer 20a, and an oxygen electrode second insulator layer 23c is joined to the cathode side of the oxygen electrode catalyst layer 20c. A hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a is joined to the anode side of the hydrogen electrode second insulator layer 23a, and an oxygen electrode second electrolyte membrane 25c is joined to the cathode side of the oxygen electrode second insulator layer 23c. The hydrogen electrode diffusion layer 30a is joined to the anode side of the hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a, and the oxygen electrode diffusion layer 30c is joined to the cathode side of the oxygen electrode second electrolyte membrane 25c.
[0044]
Next, a power generation mechanism when using the MEA 300 will be described. Hydrogen (H) as a fuel gas is applied to the anode-side hydrogen electrode diffusion layer 30a. ₂ ) Is supplied to the hydrogen electrode second insulator layer 23a through the diffusion layer 30a and the hydrogen electrode second electrolyte membrane 25a. The hydrogen gas passes through the hydrogen electrode second insulator layer 23a and is transported to the hydrogen electrode catalyst layer 20a containing the platinum catalyst (Pt). Hydrogen is dissociated into protons and electrons by the platinum catalyst in the hydrogen electrode catalyst layer 20a (H ₂ → 2H ⁺ + 2e). The generated protons reach the electrolyte membrane 10 through the hydrogen electrode first insulator layer 15a. The proton that reaches the electrolyte membrane 10 reaches the cathode-side oxygen electrode first insulator layer 15c through the electrolyte membrane 10. Protons are transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c through the oxygen electrode first insulator layer 15c. On the other hand, electrons dissociated from hydrogen are collected from the hydrogen electrode catalyst layer 20a to a current collector (not shown) and transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c through an external circuit. On the cathode side, an oxidizing gas (oxygen: O ₂ Usually air). Oxygen is supplied from the cathode side, and reaches the oxygen electrode second insulator layer 23c through the oxygen electrode diffusion layer 30c and through the oxygen electrode second electrolyte membrane 25c. The oxygen gas is transported to the oxygen electrode catalyst layer 20c containing platinum (Pt) through the oxygen electrode second insulator layer 23c. The oxygen electrode catalyst layer 20c reacts with protons and electrons transported from the anode side by the catalytic activity of platinum to generate water (2H ⁺ + 2e + (1/2) O ₂ → H ₂ O). In this way, the MEA 300 can supply power to the external circuit.
[0045]
In the polymer electrolyte fuel cell provided with the MEA 300, how the second insulator layer in the MEA 300 works will be described.
[0046]
The MEA 300 prevents the platinum of the catalyst layer 20 from eluting to the first electrolyte membrane 10 by the first insulator layer 15 and the second electrolyte membrane 25 for the reason described in the third embodiment. In the third embodiment, a second insulator layer 23 (hydrogen electrode second insulator layer 23a and oxygen electrode second insulator layer 23c) is further formed between the catalyst layer 20 and the second electrolyte membrane 25. The second insulator layer 23 and the second electrolyte membrane 25 are so thin that hydrogen gas, oxygen gas, and the like do not hinder the passage. In FIG. 3, the second insulator layer can also reduce the catalyst dissolved in the second electrolyte layer. Then, the movement of the platinum catalyst eluted during use in the direction opposite to the electrolyte layer is further limited by the second insulator layer 23. If the movement is more limited, the probability that the eluted reaction catalyst is retained in the catalyst layer 20 until after use becomes higher. Since the reaction catalyst is deposited after use, the reaction catalyst retained in the catalyst layer 20 until after use is deposited in the catalyst layer. In this way, it is possible to prevent the reaction catalyst from being eluted and reduced during use. If the reduction in the amount of the reaction catalyst can be prevented, it is possible to prevent a decrease in the output of the fuel cell electrode accompanying the reduction in the amount of the reaction catalyst.
[0047]
" Reference example "
In FIG. Reference example A membrane-electrode assembly, MEA400, is shown. When the MEA 400 is used, the hydrogen electrode diffusion layer 30a / the hydrogen electrode coated catalyst layer 40a / the first electrolyte membrane 10 / the oxygen electrode coated catalyst layer 40c / the oxygen electrode diffusion layer 30c from the anode direction to the cathode direction. It has a structure in which layers are stacked and joined in order. That is, the hydrogen electrode-covered catalyst layer 40a is bonded to the anode side of the electrolyte membrane 10, and the oxygen electrode catalyst layer 20c is bonded to the cathode side. Further, the hydrogen electrode diffusion layer 30a is joined to the anode side of the hydrogen electrode catalyst layer 20a, and the oxygen electrode diffusion layer 30c is joined to the cathode side of the oxygen electrode catalyst layer 20c.
[0048]
Here, the coated catalyst layer 40 (hydrogen electrode-coated catalyst layer 40a and oxygen electrode-coated catalyst layer 40c) is a catalyst layer composed of the platinum catalyst particles 50 shown in FIG. That is, the surface of the platinum catalyst particle 50 in which the platinum 41 is supported on the carbon 42 is covered with the inert coating 43. Thus, by covering the inert coating 43, which is a substance more inert than the platinum 41, which is the reaction catalyst, it is possible to prevent the platinum 41 from eluting during use. Since reduction in the amount of platinum catalyst due to elution can be prevented, output reduction due to reduction in the amount of platinum catalyst can be prevented. Further, since the platinum catalyst can be prevented from being eluted, the reaction catalyst eluted from the catalyst layer can also be prevented from being dissolved in the electrolyte membrane 10. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the insulating properties of the electrolyte layer due to the dissolution of the reaction catalyst. The inert coating 43 is sufficiently thin and does not hinder the reaction of hydrogen gas or oxygen gas. Here, the thickness of the inert coating 43 is 3 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 50 nm. Such platinum catalyst particles 50 can be manufactured by a dip-gel dip coating method or the like.
[0049]
Next, a power generation mechanism when using the MEA 400 will be described. Hydrogen (H) as a fuel gas is applied to the anode-side hydrogen electrode diffusion layer 30a. ₂ ) Is supplied to the hydrogen electrode-covered catalyst layer 40a containing the platinum catalyst (Pt) by the diffusion layer 30a. Hydrogen is dissociated into protons and electrons by the platinum catalyst 50 in the hydrogen electrode-covered catalyst layer 40a (H ₂ → 2H ⁺ + 2e). The generated protons reach the electrolyte membrane 10. The proton is transported by the electrolyte membrane 10 to the oxygen electrode-covered catalyst layer 40c on the cathode side. On the other hand, the electrons dissociated from hydrogen are collected from the hydrogen electrode-covered catalyst layer 40a to a current collector (not shown) and transported to the oxygen electrode-covered catalyst layer 40c through an external circuit. On the cathode side, an oxidizing gas (oxygen: O ₂ Usually air). When oxygen is supplied from the cathode side and transported to the oxygen electrode-covered catalyst layer 40c containing platinum (Pt) by the oxygen electrode diffusion layer 30c, it reacts with protons and electrons transported from the anode side due to the catalytic activity of platinum. Generate water (2H ⁺ + 2e + (1/2) O ₂ → H ₂ O). In this way, the MEA 400 can supply power to the external circuit.
[0050]
“Embodiment 5”
FIG. 5 shows a membrane-electrode assembly, MEA 500 according to this embodiment. In use, the MEA 500 from the direction serving as the anode to the direction serving as the cathode is hydrogen electrode diffusion layer 30a / hydrogen electrode-covered catalyst layer 40a / hydrogen electrode first insulator layer 15a / first electrolyte membrane 10 / oxygen electrode first. The insulating layer 15c / the oxygen electrode-covered catalyst layer 40c / the oxygen electrode diffusion layer 30c are stacked and joined in this order. That is, in the electrolyte membrane 10, the hydrogen electrode first insulator layer 15a is bonded to the anode side, and the oxygen electrode first insulator layer 15c is bonded to the cathode side. A hydrogen electrode-covered catalyst layer 40a is joined to the anode side of the hydrogen electrode first insulator layer 15a, and an oxygen electrode-covered catalyst layer 40c is joined to the cathode side of the oxygen electrode first insulator layer 15c. Further, the hydrogen electrode diffusion layer 30a is bonded to the anode side of the hydrogen electrode catalyst layer 20a, and the oxygen electrode diffusion layer 30c is bonded to the cathode side of the oxygen electrode-coated catalyst layer 40c. That is, the first insulator layer 15 is added to the structure of the fourth embodiment. The power generation mechanism when using the MEA 500 is the same as that of the first embodiment. With such a configuration, it is possible to further prevent the insulation property of the first electrolyte membrane 10 from decreasing and the catalyst amount from decreasing.
[0051]
In each of the above embodiments, the inert layer and the inert film may be anything as long as they are chemically inert than the reaction catalyst. The fuel cell electrode is a polymer electrolyte fuel cell electrode, but may be a phosphate type, molten carbonate type, solid oxide type fuel cell electrode, or the like.
[0052]
Further, if the fuel cell electrode of the present invention is used, it is possible to prevent a decrease in the output of each fuel cell electrode, so that it is possible to greatly prevent a decrease in the output of a fuel cell that uses it. Therefore, a stable and high output fuel cell can be provided.
[0053]
【Example】
Embodiments 1 to 1 shown in FIGS. 3, 5 and reference examples The MEAs of Example 1 (FIG. 1), Example 2 (FIG. 2), Example 3 (FIG. 3), Reference example (FIG. 4), Example 5 (FIG. 5), and the conventional MEA shown in FIG. 7 as a comparative example, the amount of platinum catalyst deposited on the first electrolyte membrane was measured. Measurement is performed on each MEA at a current density of 0.1 A / cm ² , For the first electrolyte membrane after 500 hours of operation. A fragment of the first electrolyte membrane was taken as a sample, and the amount of platinum catalyst deposited on the sample by SEM was observed.
[0054]
"result"
According to SEM observation of the first electrolyte membrane after operation, the amount of the platinum catalyst deposited on the first electrolyte membrane is about 1/3 in Example 1, about 1/4 in Example 2, and about 1/4 in Example 1. 3 is about 1/6, Reference example Was about 1/6, and Example 5 was about 1/10. As a result, the order of the amount of precipitation of the platinum catalyst was as follows: Comparative Example> Example 1> Example 2> Example 3, Reference example > The order was as in Example 5.
[0055]
"Evaluation"
It was found that all of the examples can significantly reduce the amount of platinum deposited on the first electrolyte membrane than the comparative example. Accordingly, it has been found that it is possible to prevent a decrease in the insulating property of the first electrolyte membrane 10 and a reduction in the effective amount of catalyst. In particular, it was found that the amount of platinum deposited on the electrolyte membrane 10 can be significantly reduced when the inert layer and the platinum catalyst of the inert coating are used in combination as in Example 5.
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, an electrode for a fuel cell having an electrolyte layer for transporting charge carriers generated by the reaction and a catalyst layer containing a reaction catalyst has a reduced reaction due to dissolution of the reaction catalyst in the electrolyte layer, It is possible to provide an electrode for a fuel cell that can prevent a decrease in output and the like and a fuel cell using the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a membrane-electrode assembly according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 2 is a view showing a membrane-electrode assembly according to a second embodiment.
FIG. 3 is a view showing a membrane-electrode assembly according to a third embodiment.
[Fig. 4] Reference example It is a figure which shows this membrane-electrode assembly.
FIG. 5 is a view showing a membrane-electrode assembly according to a fifth embodiment.
[Fig. 6] In the reference example It is a figure which shows the platinum catalyst particle coat | covered with the inert film.
FIG. 7 is a view showing a membrane-electrode assembly according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electrolyte membrane, 15 1st insulator layer, 20 catalyst layer, 23 2nd insulator layer, 25 2nd electrolyte membrane, 30 diffusion layer, 40 coating catalyst layer, 41 platinum, 42 carbon, 43 inert film, 50 Coated platinum catalyst, 100, 200, 300, 400, 500 Membrane-electrode assembly (MEA).

Claims

In a fuel cell electrode having an electrolyte layer for transporting charge carriers generated by the reaction, and a catalyst layer containing a reaction catalyst,
The fuel cell electrode is a polymer electrolyte fuel cell electrode,
Between the electrolyte layer and the catalyst layer, an inert layer made of a substance that is more inert than the reaction catalyst,
An electrode for a fuel cell.

The fuel cell electrode according to claim 1,
Be one that prevents the movement into the diffusion layer catalyst eluted in the catalyst layer is located in the direction opposite to the electrolyte membrane from the catalyst layer, a layer made of inert ingredients than the catalyst Have
Comprising the catalyst layer between the inert layer and a layer made of a component that is inactive to the reaction catalyst;
An electrode for a fuel cell.

The fuel cell electrode according to claim 1,
Be one that prevents the movement into the diffusion layer catalyst eluted in the catalyst layer is located in the direction opposite to the electrolyte membrane from the catalyst layer, a layer made of the electrolyte component,
Comprising the catalyst layer between the inert layer and the layer comprising the electrolyte component;
An electrode for a fuel cell.

The electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The reaction catalyst is in the form of particles,
The surface of the reaction catalyst is coated with a substance more inert than the reaction catalyst;
An electrode for a fuel cell.

The electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The substance inert to the reaction catalyst is silicon carbide or silicon nitride;
An electrode for a fuel cell.

A fuel cell comprising a plurality of fuel cell electrodes according to any one of claims 1 to 5.