JP5204382B2 - Cathode catalyst layer, membrane catalyst assembly, cathode gas diffusion electrode, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents

Cathode catalyst layer, membrane catalyst assembly, cathode gas diffusion electrode, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same Download PDF

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Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層、当該カソード触媒層を含む膜触媒層接合体、ガス拡散電極および膜電極接合体、ならびにこれらを含む高分子電解質形燃料電池に関する。   The present invention relates to a cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, a membrane catalyst layer assembly including the cathode catalyst layer, a gas diffusion electrode and a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell including these.

高分子電解質形燃料電池は、都市ガスなどの原料ガスを改質して得られる水素を含む燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスと、を電気化学反応(酸化還元反応)させることで、外部回路に電子を取り出すものである。このような高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池(セル)は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜および一対のガス拡散電極(アノード及びカソード)で構成される膜電極接合体(MEA)と、ガスケットと、一対の導電性のセパレータと、を有している。   A polymer electrolyte fuel cell performs an electrochemical reaction (oxidation-reduction reaction) between a fuel gas containing hydrogen obtained by reforming a raw material gas such as city gas and an oxidant gas containing oxygen such as air. Thus, electrons are taken out to an external circuit. A unit cell (cell) mounted on such a polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (anode and cathode) composed of a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity and a pair of gas diffusion electrodes (anode and cathode). MEA), a gasket, and a pair of conductive separators.

上記膜電極接合体のガス拡散電極は、燃料である水素や酸素ガスの透過・拡散および発電により発生した水の排出を担うガス拡散層と、実際の電気化学反応を担う触媒層と、で構成されている。上記触媒層は、導電性の微粒子からなる担体と、当該担体に担持された活性の高い金属触媒と、これら担体または金属触媒に付着した水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、を含んでおり、がガスが透過し得る空間を保って構成されている。   The gas diffusion electrode of the membrane electrode assembly is composed of a gas diffusion layer responsible for the permeation / diffusion of fuel hydrogen and oxygen gas and the discharge of water generated by power generation, and a catalyst layer responsible for the actual electrochemical reaction. Has been. The catalyst layer includes a carrier made of conductive fine particles, a highly active metal catalyst supported on the carrier, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity attached to the carrier or the metal catalyst. Is configured to maintain a space through which gas can permeate.

上記セパレータのうちの上記ガス拡散電極と当接する面には、燃料ガス又は酸化剤ガス(これらを反応ガスという)を流すためのガス流路が設けられており、一対の当該セパレータにより、周縁部にガスケットが配置された膜電極接合体を挟むことによって、単電池が構成されている。このような構造を有する高分子電解質形燃料電池の単電池から得られる電圧は低いため、単電池複数個を積層してスタックを得、当該スタックを締結して隣接する膜電極接合体を互いに電気的に直列に接続することにより、必要な出力電圧を得ている。   A gas flow path for flowing a fuel gas or an oxidant gas (these are called reaction gases) is provided on the surface of the separator that contacts the gas diffusion electrode. A unit cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly in which a gasket is disposed between the two. Since the voltage obtained from a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell having such a structure is low, a stack is obtained by stacking a plurality of unit cells, and the adjacent membrane electrode assemblies are electrically connected to each other by fastening the stack. The necessary output voltage is obtained by connecting them in series.

ところで、高分子電解質形燃料電池の電池性能低下の原因としては、例えばガス拡散電極を構成する触媒の劣化、ガス流路におけるフラッディングの進行による反応ガスのガス拡散電極への透過の妨げ、および反応ガスのクロスオーバー等による単電池の破損等が挙げられ、これらの原因となる現象を抑制することによって電池寿命の向上を図ることが重要であり、かつ種々検討されている。   By the way, the cause of the cell performance degradation of the polymer electrolyte fuel cell is, for example, deterioration of the catalyst constituting the gas diffusion electrode, hindering permeation of the reaction gas to the gas diffusion electrode due to the progress of flooding in the gas flow path, The damage of a unit cell by gas crossover etc. is mentioned, It is important to aim at the improvement of a battery life by suppressing the phenomenon which causes these, and various examination is carried out.

なかでも、高分子電解質形燃料電池の起動および停止による電池性能の低下は深刻である。一般的に高分子電解質形燃料電池は60℃〜100℃の比較的低い温度範囲で起動するという特徴を有しており、必要の無いときにはその運転を停止し、燃料の利用効率を低下させないような設計がなされている。しかしながら、運転の停止時において、膜電極接合体のガス拡散電極は、運転時には無い電位の変化を受けることになる。   In particular, deterioration in battery performance due to starting and stopping of the polymer electrolyte fuel cell is serious. In general, a polymer electrolyte fuel cell has a feature that it starts in a relatively low temperature range of 60 ° C. to 100 ° C., and when it is not necessary, the operation is stopped so as not to lower the fuel utilization efficiency. The design is made. However, when the operation is stopped, the gas diffusion electrode of the membrane electrode assembly is subjected to a potential change that does not occur during the operation.

例えば定置形の高分子電解質形燃料電池は、運転時に単電池当たり0.6V〜0.9V付近(ほぼカソードの電位と同等)の電圧で発電されるが、停止時には不活性ガスをアノードおよびカソードに供給してパージすることにより、カソードの電位は0V(vs.RHE)付近まで低下する。また、運転を再開する時は、酸化剤ガスを供給してパージし、負荷が無いOCV(開回路電圧)のため、カソードの電位は+1.0V(vs.RHE)付近まで上昇する。   For example, a stationary polymer electrolyte fuel cell generates electricity at a voltage of about 0.6 V to 0.9 V per cell (approximately the same as the cathode potential) during operation, but inactive gas is supplied to the anode and cathode when stopped. By purging by supplying to the cathode, the potential of the cathode decreases to near 0 V (vs. RHE). When the operation is resumed, the oxidant gas is supplied and purged, and the cathode potential rises to near +1.0 V (vs. RHE) due to OCV (open circuit voltage) without load.

このように起動および停止を繰り返すと、触媒層に含まれる金属触媒は急激な電位の変化により凝集し、活性な反応面が減少することで電池性能の低下をもたらしてしまう。このような問題に対し、活性金属触媒(金属触媒)の凝集を防ぐことを意図して、例えば特許文献1では、担体の比表面積を小さくし、かつ担持された活性金属触媒の粒径を大きくすることで、活性金属触媒の比表面積の低下を抑制することが提案されている。また、特許文献2および3においては、担持された活性金属触媒として、単金属よりも安定な合金を使用することが開示されている。
特開平5−94823号公報 特公平7−63627号公報 特開2001−68120号公報
When starting and stopping are repeated in this way, the metal catalyst contained in the catalyst layer aggregates due to a sudden change in potential, and the active reaction surface decreases, resulting in a decrease in battery performance. In order to prevent the aggregation of the active metal catalyst (metal catalyst) with respect to such a problem, for example, in Patent Document 1, the specific surface area of the carrier is reduced and the particle size of the supported active metal catalyst is increased. Thus, it has been proposed to suppress a decrease in the specific surface area of the active metal catalyst. Patent Documents 2 and 3 disclose the use of an alloy that is more stable than a single metal as the supported active metal catalyst.
JP-A-5-94823 Japanese Patent Publication No. 7-63627 JP 2001-68120 A

しかしながら、上記特許文献1に開示されている触媒層では、始めから50オングストローム以上の粒径を有する活性金属触媒が使用されており、当該活性金属触媒の比表面積は、例えば40オングストロームの小さい粒径を有する活性金属触媒よりも初期から小さく、初期の電圧が低下してしまい未だ改善の余地があった。また、特許文献2および3に開示されている触媒層では、3nm以下の粒径または35m2/g以上の電気化学的な比表面積を有する合金触媒が使用されており、単体金属と同様に凝集してしまい未だ改善の余地があった。 However, in the catalyst layer disclosed in Patent Document 1, an active metal catalyst having a particle diameter of 50 angstroms or more is used from the beginning, and the specific surface area of the active metal catalyst is, for example, a small particle diameter of 40 angstroms. From the initial stage, the active metal catalyst is smaller than the active metal catalyst, and the initial voltage drops, so there is still room for improvement. In addition, in the catalyst layers disclosed in Patent Documents 2 and 3, an alloy catalyst having a particle size of 3 nm or less or an electrochemical specific surface area of 35 m 2 / g or more is used. There was still room for improvement.

そこで、本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の急激な運転(起動)および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができるカソード触媒層を提供することを目的とする。
また本発明は、上記カソード触媒層を用いることにより、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる、膜触媒層接合体および膜電極接合体を提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記膜電極接合体を用いることにより、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a polymer having a high initial voltage and suppressed degradation due to rapid operation (startup) and stop of the polymer electrolyte fuel cell and voltage drop are suppressed. An object of the present invention is to provide a cathode catalyst layer capable of realizing an electrolyte fuel cell.
In addition, the present invention can realize a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and suppressing deterioration due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell and voltage drop by using the cathode catalyst layer. An object of the present invention is to provide a membrane catalyst layer assembly and a membrane electrode assembly.
Furthermore, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage, a deterioration due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell, and a voltage drop suppressed by using the membrane electrode assembly. With the goal.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質膜に接するカソード触媒層部分に担持された金属触媒の粒径を、高分子電解質膜に接しないカソード触媒層部分に担持された金属触媒の粒径よりも大きくし、さらに高分子電解質膜に接するカソード触媒層部分に担持された金属触媒に合金を用いることが、上述した本発明の目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
即ち、上記課題を解決するために、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードとを有する高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層であって、
担体および担体に担持された金属触媒を含む触媒担持粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、を含む少なくとも2層の触媒層で構成されており、
高分子電解質膜側に接する側に位置する第1触媒層のうちの金属触媒の粒径R1と、高分子電解質膜に接しない側に位置する第2触媒層のうちの金属触媒の粒径R2と、が関係式:R1>R2を満たし、
少なくとも第1触媒層に含まれる金属触媒が合金からなり、
第1触媒層における、触媒担持粒子の担体の質量Wcatと触媒担持粒子に付着した高分子電解質の質量Wpとの比Wp/Wcatが、第2触媒層における比Wp/Wcatよりも大きくなっていること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層を提供する。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have determined that the particle size of the metal catalyst supported on the cathode catalyst layer portion in contact with the polymer electrolyte membrane is the cathode catalyst layer not in contact with the polymer electrolyte membrane. In order to achieve the above-described object of the present invention, it is possible to use an alloy for the metal catalyst supported on the cathode catalyst layer portion which is larger than the particle size of the metal catalyst supported on the portion and is in contact with the polymer electrolyte membrane. The inventors have found that the present invention is extremely effective, and have reached the present invention.
That is, in order to solve the above problems, the present invention provides:
A cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity and an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane,
It is composed of at least two catalyst layers including a carrier and catalyst-carrying particles containing a metal catalyst supported on the carrier, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity,
The particle diameter R 1 of the metal catalyst in the first catalyst layer located on the side in contact with the polymer electrolyte membrane side and the particle diameter of the metal catalyst in the second catalyst layer located on the side not in contact with the polymer electrolyte membrane R 2 satisfies the relational expression: R 1 > R 2 ,
At least a metal catalyst contained in the first catalyst layer is Ri Do alloy,
In the first catalyst layer, the ratio Wp / WCAT of the mass Wp of the polymer electrolyte adhering to the mass WCAT and catalyst support particles of the catalyst support carrying particles, that is greater than the ratio Wp / WCAT in the second catalyst layer about,
A cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell is provided.

以上の本発明の構成によれば、高分子電解質膜に接する第1触媒層に含まれる金属触媒の粒径が大きいことから、当該第1触媒層において活性化金属触媒が凝集したり溶解したりすることによる触媒能の劣化を抑制することができる。また、高分子電解質膜に接しない第2触媒層に含まれる金属触媒の粒径が小さいことから、当該第2触媒層における触媒能をより確実に発揮させることができ、電池電圧を向上させることができる。
即ち、本発明によれば、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる、カソード触媒層を提供することができる。
According to the above configuration of the present invention, since the particle size of the metal catalyst contained in the first catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane is large, the activated metal catalyst aggregates or dissolves in the first catalyst layer. It is possible to suppress deterioration of the catalytic performance due to the operation. Moreover, since the particle size of the metal catalyst contained in the second catalyst layer not in contact with the polymer electrolyte membrane is small, the catalytic ability of the second catalyst layer can be more reliably exhibited, and the battery voltage can be improved. Can do.
That is, according to the present invention, there is provided a cathode catalyst layer capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and suppressed degradation and voltage drop due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell. Can be provided.

ここで、本発明のカソード触媒層の構成を上記のような構成とすることにより、上述のような本発明の効果が得られることについての明確なメカニズムは解明されていないが、本発明者らは以下のように推察している。
即ち、高分子電解質形燃料電池の起動時および停止時における0〜+1.0V(vs.RHE)付近の急激な電位の変化が起こり、高電位では金属触媒が溶解し、低電位では金属触媒が析出して凝集するものと考えられる。金属触媒の溶解には金属イオンが溶け出す媒体である液体が必要であり、高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体中では、金属触媒に接する高分子電解質に含まれる水分などの液体がこれに相当する。なぜなら、一対のガス拡散電極に挟まれた高分子電解質膜は、多くの水分などの液体を保持し、かかる液体を含有してはじめて水素イオン伝導性を発揮し得るからである。
Here, although the above-described configuration of the cathode catalyst layer of the present invention has the above-described configuration, a clear mechanism for obtaining the above-described effects of the present invention has not been elucidated. Guesses as follows.
That is, when the polymer electrolyte fuel cell is started and stopped, a sudden change in potential occurs around 0 to +1.0 V (vs. RHE), the metal catalyst dissolves at a high potential, and the metal catalyst dissolves at a low potential. It is thought that it precipitates and aggregates. In order to dissolve the metal catalyst, a liquid, which is a medium from which the metal ions dissolve, is required. In the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell, a liquid such as water contained in the polymer electrolyte in contact with the metal catalyst. It corresponds to. This is because a polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of gas diffusion electrodes holds a liquid such as a large amount of moisture and can exhibit hydrogen ion conductivity only after containing such a liquid.

したがって、高分子電解質膜に接する触媒層部分において、金属触媒の溶解量が多いと考えられる。これと同様に、高分子電解質膜の分解を抑制するために触媒層に含まれる高分子電解質の質量を増加させた部分においても、金属触媒の溶解量は大きいと考えられる。このように金属触媒が溶解および析出を繰り返し、ある程度金属触媒が凝集した状態が形成されると、当該金属触媒の比表面積が小さくなり、当該金属触媒と高分子電解質との接触面積も小さくなり、溶解量が減少して凝集が抑制されると考えられる。このことから、特に高分子電解質膜と接する触媒層部分や、金属触媒の担体の質量に対する高分子電解質の質量の比が大きな触媒層部分においては、粒径が大きく溶解しにくい合金からなる金属触媒を使用することで劣化を抑制できると考えられる。一方、関係式:R1>R2を満たさない場合には上述した本発明の劣化抑制効果が得られないことが後述する実験等により確認されている。 Therefore, it is considered that the amount of the metal catalyst dissolved in the catalyst layer portion in contact with the polymer electrolyte membrane is large. Similarly, it is considered that the amount of dissolution of the metal catalyst is large even in the portion where the mass of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer is increased in order to suppress the decomposition of the polymer electrolyte membrane. In this way, when the metal catalyst is repeatedly dissolved and precipitated and a state in which the metal catalyst is aggregated to some extent is formed, the specific surface area of the metal catalyst is reduced, and the contact area between the metal catalyst and the polymer electrolyte is also reduced. It is thought that the amount of dissolution decreases and aggregation is suppressed. Therefore, particularly in the catalyst layer portion in contact with the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer portion where the ratio of the mass of the polymer electrolyte to the mass of the metal catalyst carrier is large, the metal catalyst made of an alloy having a large particle size and difficult to dissolve. It is thought that deterioration can be suppressed by using. On the other hand, when the relational expression: R 1 > R 2 is not satisfied, it has been confirmed by experiments and the like described later that the above-described deterioration suppressing effect of the present invention cannot be obtained.

なお、燃料電池に使用される合金担持触媒(PtCo合金触媒など)は一般的にPt単体の担持触媒に比べてコストが高くなる。例えば、合金(PtCo合金など)はPtに比べ、製造工程が複雑になる(例えば、合金化の焼成工程、酸による合金の洗浄工程が必要となる)からである。例えば、上述した劣化抑制効果を得ること期待して、安易にPt単体の担持触媒の代わりに合金担持触媒(PtCo合金触媒など)をカソード触媒層全体に含有させるとコストが高くなることが懸念される。しかしながら、後述する実験等により確認されているように、本発明では、上述のカソード触媒層の構造を採用することによって、合金担持触媒(PtCo合金触媒など)の使用によるMEAのコストアップを十分に抑制しつつ、合金担持触媒(PtCo合金触媒など)をカソード触媒層全体に含有させた場合と同等の劣化抑制効果を得ることができる。   Note that an alloy-supported catalyst (such as a PtCo alloy catalyst) used in a fuel cell generally has a higher cost than a supported catalyst of a single Pt. For example, an alloy (such as a PtCo alloy) has a more complicated manufacturing process than Pt (for example, an alloying firing process and an acid cleaning process with an acid are required). For example, expecting to obtain the above-described deterioration suppressing effect, there is a concern that the cost may be increased if an alloy-supported catalyst (such as a PtCo alloy catalyst) is easily contained in the entire cathode catalyst layer instead of the supported catalyst of Pt alone. The However, as confirmed by experiments and the like to be described later, in the present invention, by adopting the above-described structure of the cathode catalyst layer, the cost of MEA can be sufficiently increased by using an alloy-supported catalyst (such as a PtCo alloy catalyst). While suppressing, an effect of suppressing deterioration equivalent to the case where an alloy-supported catalyst (such as a PtCo alloy catalyst) is contained in the entire cathode catalyst layer can be obtained.

ここで、本発明において、合金からなる金属触媒の「合金」とは、一般的な合金(例えば、岩波理化学辞典(第5版)に記載の「合金」)に加え、担体粒子上において合金の構成成分となる金属の単体粒子が互いに接触した状態で担持されている状態を含む。例えば、PtCo合金触媒を使用した場合、担体粒子上においてPt単体粒子とCo単体粒子とが接触した状態で担持されている状態を含む。そして、本発明のカソード触媒層には上記状態の金属触媒が含まれていてもよい。更に、本発明においては、カソード触媒層中に、担体粒子上において金属触媒の表面が酸素と結合して一部酸化した状態となっている金属触媒が含まれていてもよい。   Here, in the present invention, the “alloy” of a metal catalyst made of an alloy refers to a general alloy (for example, “alloy” described in Iwanami Rikagaku Dictionary (5th edition)), as well as an alloy on a carrier particle. This includes a state in which single metal particles as constituent components are supported in contact with each other. For example, when a PtCo alloy catalyst is used, it includes a state where Pt single particles and Co single particles are supported in contact with each other on carrier particles. And the metal catalyst of the said state may be contained in the cathode catalyst layer of this invention. Furthermore, in the present invention, the cathode catalyst layer may contain a metal catalyst in which the surface of the metal catalyst is combined with oxygen and partially oxidized on the carrier particles.

また、本発明は、
アノード触媒層と、カソード触媒層と、水素イオン伝導性を有しており上記アノード触媒層と上記カソード触媒層との間に配置される高分子電解質膜と、を少なくとも含む高分子電解質形燃料電池用の膜触媒接合体であって、
上記カソード触媒層として、先に述べた本発明のカソード触媒層が搭載されており、当該カソード触媒層のうちの上記第1触媒層が上記高分子電解質膜と接していること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用の膜触媒接合体を提供する。
The present invention also provides:
A polymer electrolyte fuel cell comprising at least an anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity and disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer A membrane catalyst assembly for
The cathode catalyst layer of the present invention described above is mounted as the cathode catalyst layer, and the first catalyst layer of the cathode catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane,
A membrane catalyst assembly for a polymer electrolyte fuel cell is provided.

このような構成を有する本発明の膜触媒層接合体は、アノード触媒層を含んでいてもよい。かかるアノード触媒層としては、先に述べたカソード触媒層と同じものを用いることもできるが、当該分野において従来公知のアノード触媒層を用いることもできる。
このような構成を有する本発明の膜触媒層接合体は、先に述べたカソード触媒層を含んでいるため、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
The membrane catalyst layer assembly of the present invention having such a configuration may include an anode catalyst layer. As the anode catalyst layer, the same cathode catalyst layer as described above can be used, but an anode catalyst layer conventionally known in the art can also be used.
The membrane / catalyst layer assembly of the present invention having such a configuration includes the cathode catalyst layer described above, so that the initial voltage is high, and deterioration and voltage drop due to the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell. It is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell in which the above is suppressed.

さらに本発明は、
先に述べた本発明のカソード触媒層と、
上記カソード触媒層のうちの上記第2触媒層と接するガス拡散層と、
を少なくとも具備していること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用のカソードガス拡散電極を提供する。
このような構成を有する本発明のカソードガス拡散電極は、先に述べたカソード触媒層を含んでいるため、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
Furthermore, the present invention provides
The cathode catalyst layer of the present invention described above;
A gas diffusion layer in contact with the second catalyst layer of the cathode catalyst layer;
Having at least
A cathode gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell is provided.
Since the cathode gas diffusion electrode of the present invention having such a configuration includes the cathode catalyst layer described above, the initial voltage is high, deterioration due to operation and shutdown of the polymer electrolyte fuel cell, and voltage drop are reduced. A suppressed polymer electrolyte fuel cell can be realized.

さらにまた本発明は、
アノードと、カソードと、水素イオン伝導性を有しており上記アノードと上記カソードとの間に配置される高分子電解質膜と、を有する高分子電解質形燃料電池用の膜電極接合体であって、
上記カソードが、先に述べた本発明のカソード触媒層を含み、
上記カソード触媒層は、上記第1触媒層が上記高分子電解質膜に接するように配置されていること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用の膜電極接合体を提供する。
このような構成を有する本発明の膜電極接合体は、先に述べたカソード触媒層を含んでいるため、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
Furthermore, the present invention provides
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: an anode; a cathode; and a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity and disposed between the anode and the cathode. ,
The cathode includes the above-described cathode catalyst layer of the present invention,
The cathode catalyst layer is disposed so that the first catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane;
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell is provided.
Since the membrane electrode assembly of the present invention having such a configuration includes the cathode catalyst layer described above, the initial voltage is high, and deterioration due to operation and shutdown of the polymer electrolyte fuel cell and voltage drop are reduced. A suppressed polymer electrolyte fuel cell can be realized.

さらにまた、本発明は、
上記膜電極接合体を含むこと、を特徴とする高分子電解質形燃料電池を提供する。
このような構成を有する本発明の高分子電解質形燃料電池は、先に述べた本発明の膜電極接合体を含んでいるため、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
Furthermore, the present invention provides:
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly is provided.
Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention having such a configuration includes the membrane electrode assembly of the present invention described above, the initial voltage is high and the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell are performed. Thus, it is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell in which deterioration and voltage drop are suppressed.

本発明によれば、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができるカソード触媒層を提供することができる。また、本発明によれば、上記カソード触媒層を用いることにより、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる、膜触媒層接合体および膜電極接合体を提供することができる。さらに本発明によれば、上記膜電極接合体を用いることにより、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a cathode catalyst layer capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and suppressing deterioration due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell and voltage drop. Can do. In addition, according to the present invention, by using the cathode catalyst layer, a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and suppressed deterioration and voltage drop due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell is realized. A membrane catalyst layer assembly and a membrane electrode assembly that can be provided can be provided. Furthermore, according to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and suppressed deterioration due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell and voltage drop by using the membrane electrode assembly. can do.

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図1は、本発明の高分子電解質形燃料電池の好適な一実施形態に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図2は、図1に示す単電池1に搭載される膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)の基本構成の一例を示す概略断面図である。まず、本発明の高分子電解質形燃料電池の構成要素について説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a unit cell mounted in a preferred embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane-electrode assembly (MEA) mounted on the unit cell 1 shown in FIG. First, components of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described.

図1に示すように、本実施形態の高分子電解質形燃料電池(単電池)1は、膜電極接合体20と、これを挟持する一対の板状のセパレータ2と、で構成されている。また、膜電極接合体20は、図2に示すように、水素イオン(陽イオン)を選択的に輸送する高分子電解質膜11と、高分子電解質膜11の両面にそれぞれ配置されたカソード触媒層12およびアノード触媒層13と、それぞれカソード触媒層12およびアノード触媒層13の外側に配置された一対のガス拡散層14と、で構成されている。   As shown in FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell (unit cell) 1 according to this embodiment includes a membrane electrode assembly 20 and a pair of plate-like separators 2 that sandwich the membrane electrode assembly 20. Further, as shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane 11 that selectively transports hydrogen ions (cations), and cathode catalyst layers that are respectively disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11. 12 and the anode catalyst layer 13, and a pair of gas diffusion layers 14 disposed outside the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13, respectively.

カソード触媒層12およびアノード触媒層13は、それぞれ金属触媒(例えば白金系の金属触媒)をカーボン粒子などの担体に担持させて得られる触媒担持粒子と、当該触媒担持粒子(金属触媒および/または担体)に付着した水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、を含んでおり、特にカソード触媒層12は、詳細は後述するが、高分子電解質膜11に接する側に位置する第1触媒層12aと、高分子電解質膜11に接しない側に位置する第2触媒層12bと、で構成されている点に特徴を有する。   The cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 include catalyst-supported particles obtained by supporting a metal catalyst (for example, a platinum-based metal catalyst) on a support such as carbon particles, and the catalyst-supported particles (metal catalyst and / or support). In particular, the cathode catalyst layer 12 has a first catalyst layer 12a located on the side in contact with the polymer electrolyte membrane 11, although details will be described later. The second catalyst layer 12b is located on the side not in contact with the polymer electrolyte membrane 11, and has a feature.

高分子電解質膜11としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名)、旭化成(株)製のAciplex(商品名)、ジャパンゴアテックス(株)製のGSIIなど)を使用することができる。また、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、およびスルホンイミド基を有するものなどが好ましく挙げられる。水素イオン伝導性の観点から、スルホン酸基を有するものが特に好ましい。   The polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited, and a polymer electrolyte membrane mounted on a normal solid polymer fuel cell can be used. For example, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., GSII manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., etc.) Can be used. Moreover, as a polymer electrolyte which comprises the polymer electrolyte membrane 11, what has a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group as a cation exchange group is mentioned preferably. From the viewpoint of hydrogen ion conductivity, those having a sulfonic acid group are particularly preferred.

カソード触媒層12は少なくとも2層で構成されており、高分子電解質膜11に接する第1触媒層12aに含まれる金属触媒の粒径R1が、高分子電解質膜11に接しない第2触媒層12bに含まれる金属触媒の粒径R2よりも大きく、かつ第1触媒層12aに含まれる金属触媒が合金で構成されている。このような構成にすることで、初期電圧が高くて、運転・停止時の劣化が少ないカソード触媒層を実現することができる。 The cathode catalyst layer 12 is composed of at least two layers, and the particle size R 1 of the metal catalyst contained in the first catalyst layer 12 a in contact with the polymer electrolyte membrane 11 is not in contact with the polymer electrolyte membrane 11. larger than the particle size R 2 metal catalyst contained in 12b, and the metal catalyst contained in the first catalyst layer 12a is composed of an alloy. With such a configuration, it is possible to realize a cathode catalyst layer having a high initial voltage and little deterioration during operation / stop.

さらに、第1触媒層12aに含まれる合金からなる金属触媒の粒径が、例えば5nm以上であると、金属触媒の凝集は非常に遅くなり、特に運転・停止時の劣化が少ない触媒層を実現することができ、高分子電解質形燃料電池の性能を維持することができる。第1触媒層12aに含まれる金属触媒には、例えばPtなどの貴金属触媒と、当該貴金属触媒の活性を向上させる元素成分とを含む合金などの合金触媒を使用するのが好ましく、添加する元素成分としてはCoなどの遷移金属元素が挙げられる。Pt−Co合金触媒は入手が容易で活性が高く好ましい。   Furthermore, when the particle size of the metal catalyst made of the alloy contained in the first catalyst layer 12a is, for example, 5 nm or more, the aggregation of the metal catalyst becomes very slow, and a catalyst layer with little deterioration especially during operation / stop is realized. The performance of the polymer electrolyte fuel cell can be maintained. For the metal catalyst contained in the first catalyst layer 12a, it is preferable to use an alloy catalyst such as an alloy containing a noble metal catalyst such as Pt and an element component for improving the activity of the noble metal catalyst. Examples thereof include transition metal elements such as Co. Pt—Co alloy catalysts are preferred because they are readily available and have high activity.

一方、第2触媒層12bには、高分子電解質形燃料電池の初期の電圧を向上させるために、第1触媒層12aに含まれる金属触媒の粒径より小さい粒径(例えば2〜4nm程度)を有する金属触媒を使用するのが好ましい。かかる金属触媒としては、Ptなどの貴金属触媒、また、さらに活性を向上させるために合金触媒を使用することができる。   On the other hand, in order to improve the initial voltage of the polymer electrolyte fuel cell, the second catalyst layer 12b has a particle size smaller than that of the metal catalyst contained in the first catalyst layer 12a (for example, about 2 to 4 nm). It is preferred to use a metal catalyst having As such a metal catalyst, a noble metal catalyst such as Pt or an alloy catalyst can be used to further improve the activity.

ここで、本実施形態においては、上記触媒担持粒子の担体の質量Wcatと上記触媒担持粒子に付着した高分子電解質の質量Wpとの比Wp/Wcatが、第2触媒層12bから第1触媒層12aにかけて増加しており、第1触媒層12aにおける前記比Wp/Wcatが0.8〜3.0であり、かつ第2触媒層12bにおける前記比Wp/Wcatが0.2〜0.8であること、が好ましい。このような構成にすることで、初期電圧が高く、運転・停止時の劣化が少なく、さらに高分子電解質膜の分解が抑制された、電池性能を維持することのできる高分子電解質形燃料電池を実現し得るカソード触媒層をより確実に実現することができる。   Here, in the present embodiment, the ratio Wp / Wcat between the mass Wcat of the carrier of the catalyst-carrying particles and the mass Wp of the polymer electrolyte attached to the catalyst-carrying particles is from the second catalyst layer 12b to the first catalyst layer. The ratio Wp / Wcat in the first catalyst layer 12a is 0.8 to 3.0, and the ratio Wp / Wcat in the second catalyst layer 12b is 0.2 to 0.8. It is preferable. By adopting such a configuration, a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining battery performance with a high initial voltage, little deterioration during operation / stop, and further suppression of decomposition of the polymer electrolyte membrane. A realizable cathode catalyst layer can be realized more reliably.

ここで、「カソード触媒層12において、触媒担持粒子の担体の質量Wcatと触媒担持粒子に付着した高分子電解質の質量Wpとの比Wp/Wcatが、第2触媒層12bから第1触媒層12aにかけて増加している」状態とは、カソード触媒層12が2層以上の層(複数の層)で構成されていることを前提として、当該カソード触媒層12の一端において高分子電解質膜11に接する最内層(第1触媒層12a)における比Wp/Wcatが、当該カソード触媒層12の他端において高分子電解質膜11に接しない最外層(第2触媒層12b)における比Wp/Wcatよりも最終的に大きくなっており、複数の層を全体としてみた場合に各層における比Wp/Wcatが上記最外層から上記最内層にかけて概略的に増加している状態を示す。   Here, in the cathode catalyst layer 12, the ratio Wp / Wcat between the mass Wcat of the catalyst-carrying particle carrier and the mass Wp of the polymer electrolyte attached to the catalyst-carrying particle is changed from the second catalyst layer 12b to the first catalyst layer 12a. The state of “increasing toward” is in contact with the polymer electrolyte membrane 11 at one end of the cathode catalyst layer 12 on the assumption that the cathode catalyst layer 12 is composed of two or more layers (a plurality of layers). The ratio Wp / Wcat in the innermost layer (first catalyst layer 12a) is more final than the ratio Wp / Wcat in the outermost layer (second catalyst layer 12b) not in contact with the polymer electrolyte membrane 11 at the other end of the cathode catalyst layer 12. When the plurality of layers are viewed as a whole, the ratio Wp / Wcat in each layer is roughly increased from the outermost layer to the innermost layer. It is.

例えば、上記最外層から上記最内層にかけて上記比Wp/Wcatが単調に増加している状態であってもよい。また、カソード触媒層12が3層以上で構成される場合には、例えば最内層と最外層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の比Wp/Wcatが同じ値をとる状態であってもよい。さらに、最内層と最外層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の比Wp/Wcatを比較した場合、最外層の側に位置する層の比Wp/Wcatが最内層の側に位置する層の比Wp/Wcatよりも大きい場合があってもよい。ただし、ガス拡散性の観点から、最外層から最内層にかけて上記比Wp/Wcatが単調に増加している状態、または、最内層と最外層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の比Wp/Wcatが同じ値をとる状態が好ましい。   For example, the ratio Wp / Wcat may monotonously increase from the outermost layer to the innermost layer. When the cathode catalyst layer 12 is composed of three or more layers, for example, among the layers arranged between the innermost layer and the outermost layer, the ratio Wp / Wcat between some adjacent layers is the same value. It may be in a state of taking Furthermore, when the ratio Wp / Wcat of some adjacent layers among the layers arranged between the innermost layer and the outermost layer is compared, the ratio Wp / Wcat of the layer located on the outermost layer side is the highest. It may be larger than the ratio Wp / Wcat of the layers located on the inner layer side. However, from the viewpoint of gas diffusivity, the ratio Wp / Wcat monotonously increases from the outermost layer to the innermost layer, or some of the layers arranged between the innermost layer and the outermost layer. A state where the ratio Wp / Wcat between adjacent layers takes the same value is preferable.

アノード触媒層13に含まれる金属触媒としては、当該分野において公知の物を用いることができるが、例えばPtなどの貴金属触媒、または燃料改質器などによって都市ガスを改質して得られるガスに含まれるCOなどに耐性を有する合金触媒(例えばPt−Ru合金)などを用いることができる。   As the metal catalyst contained in the anode catalyst layer 13, those known in the art can be used. For example, a noble metal catalyst such as Pt or a gas obtained by reforming city gas with a fuel reformer or the like. An alloy catalyst (for example, a Pt—Ru alloy) having resistance to CO contained therein can be used.

なお、カソード触媒層12およびアノード触媒層13に含まれる高分子電解質の量は、水素ガスの透過およびプロトンの移動を妨げない程度であればよい。また、カソード触媒層12およびアノード触媒層13においては、上記高分子電解質が、金属触媒と、当該金属触媒を担持するカーボン粒子と、を含む触媒担持粒子の表面に部分的に付着していればよい。即ち、上記高分子電解質は、触媒担持粒子の少なくとも一部を被覆していればよく、必ずしも触媒担持粒子の全体を被覆していなくともよい。もちろん、上記高分子電解質が、触媒担持粒子の表面全体を被覆していてもよい。   The amount of the polymer electrolyte contained in the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 may be an amount that does not hinder the permeation of hydrogen gas and the movement of protons. In the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13, the polymer electrolyte is partially attached to the surface of catalyst-carrying particles including a metal catalyst and carbon particles that carry the metal catalyst. Good. That is, the polymer electrolyte only needs to cover at least a part of the catalyst-carrying particles, and does not necessarily have to cover the entire catalyst-carrying particles. Of course, the polymer electrolyte may cover the entire surface of the catalyst-carrying particles.

カソード触媒層12およびアノード触媒層13における担体としては、主としてカーボン粒子(導電性炭素粒子)を用いる。かかるカーボン粒子は、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料であるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。   As the carrier in the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13, carbon particles (conductive carbon particles) are mainly used. The carbon particles are preferably a carbon material having conductive pores, and for example, carbon black, activated carbon, carbon fiber, and carbon tube can be used. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Activated carbon can be obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms.

また、カーボン粒子の比表面積は50〜1500m2/gであることが好ましい。比表面積50m2/g以上であると、金属触媒の担持率を向上させ易く、カソード触媒層12およびアノード触媒層13の触媒性能が低下するおそれがないことから好ましく、比表面積が1500m2/g以下であると、細孔が微細すぎずに高分子電解質による被覆がより容易となり、カソード触媒層12およびアノード触媒層13の出力特性が低下するおそれがないことから好ましい。比表面積は200〜900m2/gが特に好ましい。 Moreover, it is preferable that the specific surface area of a carbon particle is 50-1500 m < 2 > / g. A specific surface area of 50 m 2 / g or more is preferable because the supporting rate of the metal catalyst is easily improved and the catalyst performance of the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 does not deteriorate, and the specific surface area is 1500 m 2 / g. The following is preferable because the pores are not too fine and the coating with the polymer electrolyte is easier, and the output characteristics of the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 are not likely to deteriorate. The specific surface area is particularly preferably 200 to 900 m 2 / g.

担持される金属触媒の触媒担持率(担体の全質量に対する、担持されている金属触媒の質量の割合)は、20〜80質量%であればよく、特に40〜60質量%であるのが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように触媒担持率が20質量%以上であると、十分な電池出力をより確実に得ることができ、80質量%以下であると、金属触媒の粒子を分散性よくカーボン粉末に担持させることができ、触媒有効面積をより増大させることができる。   The catalyst loading rate of the supported metal catalyst (ratio of the mass of the supported metal catalyst to the total mass of the support) may be 20 to 80% by mass, and particularly preferably 40 to 60% by mass. . Within this range, high battery output can be obtained. As described above, when the catalyst loading is 20% by mass or more, sufficient battery output can be obtained more reliably, and when it is 80% by mass or less, the metal catalyst particles are supported on the carbon powder with good dispersibility. And the effective catalyst area can be further increased.

カソード触媒層12およびアノード触媒層13に含有されて、上記触媒に付着させる水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、高分子電解質膜11を構成する高分子電解質を用いればよい。なお、カソード触媒層12、アノード触媒層13および高分子電解質膜11を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもかまわない。例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名)、旭硝子(株)製のFlemion(商品名)、旭化成(株)製のAciplex(商品名)等の市販品であってもかまわない。   As the polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity contained in the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 and adhering to the catalyst, a polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane 11 may be used. The polymer electrolyte constituting the cathode catalyst layer 12, the anode catalyst layer 13, and the polymer electrolyte membrane 11 may be the same type or different types. For example, commercially available products such as Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. may be used.

つぎに、図2に示すように、カソード触媒層12およびアノード触媒層13それぞれの外側に、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーを用いて、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層14が形成される。カソード触媒層12とガス拡散層13との組合せによりカソード15が構成され、アノード触媒層13とガス拡散層14との組合せによりアノード16が構成される。
ガス拡散層14としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などがガス拡散層14の中に分散されていてもよい。電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層14が構成されていてもよい。
Next, as shown in FIG. 2, a gas diffusion layer 14 having both air permeability and electronic conductivity is formed on the outside of the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 by using, for example, carbon paper subjected to water repellent treatment. It is formed. A cathode 15 is configured by a combination of the cathode catalyst layer 12 and the gas diffusion layer 13, and an anode 16 is configured by a combination of the anode catalyst layer 13 and the gas diffusion layer 14.
The gas diffusion layer 14 is made of carbon fine powder having a developed structure structure, a pore former, carbon paper, carbon cloth, or the like to have gas permeability, and has a porous structure. A substrate can be used. In addition, a water repellent polymer typified by a fluororesin may be dispersed in the gas diffusion layer 14 in order to provide drainage. In order to give electron conductivity, the gas diffusion layer 14 may be made of an electron conductive material such as carbon fiber, metal fiber, or carbon fine powder.

さらに、ガス拡散層14のカソード触媒層12またはアノード触媒層13と接する面には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。   Further, a water repellent carbon layer composed of a water repellent polymer and carbon powder may be provided on the surface of the gas diffusion layer 14 that is in contact with the cathode catalyst layer 12 or the anode catalyst layer 13. The same gas diffusion layer or different gas diffusion layers may be used on the cathode side and the anode side.

図1に示すように、本実施形態の高分子電解質形燃料電池の基本単位である単電池10は、膜電極接合体20と、一対のガスケット1と、一対のセパレータ2とで構成される。
ガスケット1は、供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、カソード15およびアノード16(図2参照)の周囲に高分子電解質膜11を挟んで配置される。ガスケット1は、カソード15またはアノード16および高分子電解質膜11とあらかじめ一体化され、これらすべてを組み合わせたものを膜電極接合体20と呼ぶこともある。
As shown in FIG. 1, a unit cell 10 that is a basic unit of a polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment includes a membrane electrode assembly 20, a pair of gaskets 1, and a pair of separators 2.
The gasket 1 is disposed around the cathode 15 and the anode 16 (see FIG. 2) with the polymer electrolyte membrane 11 interposed therebetween in order to prevent leakage and mixing of the supplied fuel gas and oxidant gas to the outside. . The gasket 1 is integrated with the cathode 15 or the anode 16 and the polymer electrolyte membrane 11 in advance, and a combination of them is sometimes called a membrane electrode assembly 20.

膜電極接合体20の外側には、膜電極接合体20を機械的に固定するための一対のセパレータ2が配置される。セパレータ2の膜電極接合体20と接触する部分には、カソード15に酸化剤ガスを供給し、アノード16に燃料ガスを供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場からカソード15およびアノード16外部に運び去るためのガス流路3が形成されている。ガス流路3はセパレータ2と別に設けることもできるが、図1においては、セパレータ2の表面に溝を設けてガス流路3が形成されている。また、セパレータ2の膜電極接合体20と反対の側にも、溝からなる冷却水流路4が設けられている。   A pair of separators 2 for mechanically fixing the membrane electrode assembly 20 is disposed outside the membrane electrode assembly 20. An oxidant gas is supplied to the cathode 15, a fuel gas is supplied to the anode 16, and a gas containing an electrode reaction product and an unreacted reaction gas is supplied to a reaction field at a portion of the separator 2 that contacts the membrane electrode assembly 20. The gas flow path 3 for carrying away from the cathode 15 and the anode 16 outside is formed. The gas flow path 3 can be provided separately from the separator 2, but in FIG. 1, the gas flow path 3 is formed by providing a groove on the surface of the separator 2. Further, a cooling water flow path 4 formed of a groove is also provided on the side of the separator 2 opposite to the membrane electrode assembly 20.

このように、一対のセパレータ2で膜電極接合体20が固定され、アノード側のセパレータ2のガス流路3に燃料ガスを供給し、カソード側のセパレータ2のガス流路3に酸化剤ガスを供給することで、数十から数百mA/cm2の実用電流密度通電時において、一つの単電池1で0.6〜0.9V程度の起電力を発生させることができる。ただし、通常、高分子電解質型燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、単電池1を必要とする個数だけ直列に連結してスタック(図示せず)として使用する。   Thus, the membrane electrode assembly 20 is fixed by the pair of separators 2, the fuel gas is supplied to the gas passage 3 of the separator 2 on the anode side, and the oxidant gas is supplied to the gas passage 3 of the separator 2 on the cathode side. By supplying, an electromotive force of about 0.6 to 0.9 V can be generated by one single cell 1 when a practical current density of several tens to several hundred mA / cm 2 is applied. However, in general, when a polymer electrolyte fuel cell is used as a power source, a voltage of several volts to several hundred volts is required. Therefore, in actuality, the required number of unit cells 1 are connected in series. Used as a stack (not shown).

ガス流路3に反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ2の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先を直接セパレータ2上のガス流路3につなぎ込む部材であるマニホールドが必要となるが、本実施形態においては具体的には図示しないが、外部マニホールドと内部マニホールドのいずれを採用することも可能である。   In order to supply the reaction gas to the gas flow path 3, the piping for supplying the reaction gas is branched into a number corresponding to the number of separators 2 to be used, and the branch destinations are directly connected to the gas flow path 3 on the separator 2. Although a manifold that is a member to be connected to the first and second manifolds is necessary, although not specifically shown in the present embodiment, either an external manifold or an internal manifold can be employed.

つぎに、本実施形態の高分子電解質形燃料電池の製造方法について説明する。
まず、上記のような高分子電解質膜11の両面にそれぞれカソード触媒層12およびアノード触媒層13を配置する。カソード触媒層12(第1触媒層12aおよび第2触媒層12b)ならびにアノード触媒層13は、本発明における触媒層の構成を実現可能な成分組成に調製された複数の触媒層形成用インクを用いて形成することができる。
Next, a method for producing the polymer electrolyte fuel cell of this embodiment will be described.
First, the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 are disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11 as described above. The cathode catalyst layer 12 (the first catalyst layer 12a and the second catalyst layer 12b) and the anode catalyst layer 13 use a plurality of inks for forming a catalyst layer prepared to have a component composition capable of realizing the configuration of the catalyst layer in the present invention. Can be formed.

触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、高分子電解質を溶解可能または分散可能(高分子電解質の一部が溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む)であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。分散媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコールおよびtert―ブチルアルコールのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの水およびアルコールは単独でも使用してもよく、2種以上混合してもよい。アルコールは、分子内にOH基を1つ有する直鎖のものが特に好ましく、エタノールが特に好ましい。このアルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。   The dispersion medium used to prepare the ink for forming the catalyst layer may be a polymer electrolyte that can be dissolved or dispersible (part of the polymer electrolyte is dissolved and the other part is dispersed without being dissolved) It is preferable to use a liquid containing an alcohol. The dispersion medium preferably contains at least one of water, methanol, ethanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol and tert-butyl alcohol. These water and alcohol may be used alone or in combination of two or more. The alcohol is particularly preferably a straight chain having one OH group in the molecule, and ethanol is particularly preferable. This alcohol includes those having an ether bond such as ethylene glycol monomethyl ether.

また、触媒層形成用インクの組成は、カソード触媒層12(第1触媒層12aおよび第2触媒層12b)ならびにアノード触媒層13の構成に応じて、適宜調整すればよいが、固形分濃度0.1〜20質量%であることが好ましい。固形分濃度が0.1質量%以上であると、触媒層形成用インクの噴霧または塗布により触媒層を作製するにあたり、何回も繰り返し噴霧または塗布しなくても所定の厚さの触媒層が得られ生産効率が良い。また、固形分濃度が20質量%以下であると、混合液の粘度を適度に保持することができ、得られる触媒層を均一とし易い。固形分濃度で1〜10質量%であることが特に好ましい。   The composition of the ink for forming the catalyst layer may be appropriately adjusted according to the configurations of the cathode catalyst layer 12 (first catalyst layer 12a and second catalyst layer 12b) and the anode catalyst layer 13, but the solid content concentration is 0. It is preferable that it is 1-20 mass%. When the solid content concentration is 0.1% by mass or more, a catalyst layer having a predetermined thickness can be formed without spraying or coating many times in preparing the catalyst layer by spraying or coating the ink for forming the catalyst layer. Good production efficiency. Moreover, the viscosity of a liquid mixture can be hold | maintained moderately as solid content concentration is 20 mass% or less, and it is easy to make the obtained catalyst layer uniform. The solid content concentration is particularly preferably 1 to 10% by mass.

触媒層形成用インク(カソード触媒層12形成用インクおよびアノード触媒層12形成用インク、さらには、第1触媒層12a形成用インクおよび第2触媒層12b形成用インク)は、従来公知の方法に基づいて調製することができる。具体的には、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押出すことで分散液にせん断力を付与する方法などが挙げられる。   The ink for forming the catalyst layer (the ink for forming the cathode catalyst layer 12 and the ink for forming the anode catalyst layer 12, and the ink for forming the first catalyst layer 12a and the ink for forming the second catalyst layer 12b) is obtained by a conventionally known method. Can be prepared on the basis. Specifically, a method using a stirrer such as a homogenizer or a homomixer, a method using high-speed rotation such as using a high-speed rotating jet flow method, or a high-pressure emulsifying apparatus or the like is used to push the dispersion from a narrow part. The method of giving a shearing force to a dispersion liquid by taking out is mentioned.

上記触媒層形成用インクを用いてカソード触媒層12(第1触媒層12aおよび第2触媒層12b)ならびにアノード触媒層13を形成する際には、高分子電解質膜11に対して、直接形成する直接塗布法であっても間接的に形成する間接塗布方法のいずれを採用することも可能である。塗布法としては、スクリーン印刷法、ダイコート法、スプレー法およびインクジェット法などが挙げられる。このように直接塗布することによって膜触媒接合体を形成することができる。   When the cathode catalyst layer 12 (first catalyst layer 12a and second catalyst layer 12b) and anode catalyst layer 13 are formed using the catalyst layer forming ink, the cathode catalyst layer 12 is directly formed on the polymer electrolyte membrane 11. It is possible to employ any of the indirect coating methods that are indirectly formed even if it is a direct coating method. Examples of the coating method include a screen printing method, a die coating method, a spray method, and an ink jet method. A membrane catalyst assembly can be formed by direct application in this way.

間接塗布法としては、例えばポリプロピレンまたはポリエチレンテレフタラート製の支持体上に、上記の方法で触媒層12を形成した後、熱転写により、高分子電解質膜11または先に形成した触媒層12上に形成する方法が挙げられる。このような支持体に触媒層を塗布することで触媒層単体を形成することができる
また、ガス拡散層14上へカソード触媒層12およびアノード触媒層13を形成した後、高分子電解質膜11と接合してもかまわない。このようにガス拡散層14に塗布することでガス拡散電極を形成することができる。
As an indirect coating method, for example, after forming the catalyst layer 12 on the support made of polypropylene or polyethylene terephthalate by the above method, it is formed on the polymer electrolyte membrane 11 or the previously formed catalyst layer 12 by thermal transfer. The method of doing is mentioned. A catalyst layer alone can be formed by applying a catalyst layer to such a support. After the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 are formed on the gas diffusion layer 14, the polymer electrolyte membrane 11 and They can be joined. Thus, the gas diffusion electrode can be formed by applying to the gas diffusion layer 14.

また、特に第1触媒層12aおよび第2触媒層12bの高分子電解質は、上記触媒担持粒子の担体の質量Wcatと、上記触媒担持粒子に付着した水素イオン伝導性を有する高分子電解質の質量Wpとの比Wp/Wcatが異なる場合、第1触媒層12a形成用インクおよび第2触媒層12b形成用インクを調製し、それぞれをスプレー法などにより塗布することで得られる。
上記のようにして、本実施形態の膜触媒層接合体またはガス拡散電極を得ることができる。
In particular, the polymer electrolytes of the first catalyst layer 12a and the second catalyst layer 12b include the mass Wcat of the catalyst-carrying particle carrier and the mass Wp of the polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity attached to the catalyst-carrying particle. When the ratio Wp / Wcat is different, the ink for forming the first catalyst layer 12a and the ink for forming the second catalyst layer 12b are prepared and applied by spraying or the like.
As described above, the membrane catalyst layer assembly or the gas diffusion electrode of the present embodiment can be obtained.

つぎに、上記のようにして得られた膜触媒層接合体を、図2に示すように、一対のガス拡散層14で挟持することにより、膜電極接合体20を得ることができる。この際、ホットプレスなどで膜触媒層接合体と一対のガス拡散層14とを接合すればよい。
さらに、上記膜電極接合体20のうちの高分子電解質膜11の周縁部に、当該周縁部を挟持するように一対のガスケット1を配置し、全体を一対のセパレータ2で挟持ことにより、本実施形態の高分子電解質形燃料電池(単電池)10を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 20 can be obtained by sandwiching the membrane catalyst layer assembly obtained as described above with a pair of gas diffusion layers 14. At this time, the membrane catalyst layer assembly and the pair of gas diffusion layers 14 may be joined by hot pressing or the like.
Further, a pair of gaskets 1 are arranged on the periphery of the polymer electrolyte membrane 11 in the membrane electrode assembly 20 so as to sandwich the periphery, and the whole is sandwiched between the pair of separators 2. The polymer electrolyte fuel cell (single cell) 10 of the form can be obtained.

単電池10複数個を含むスタックを構成する場合には、常法により、単電池10複数個を積層して積層体を得、当該積層体の両端に、集電体、絶縁板および端板を配置し、全体を締結してスタックからなる高分子電解質形燃料電池を作製することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、カソード触媒層12は3以上の層で構成してもよく、アノード触媒層13をカソード触媒層12と同じ構成としてもよい。
When a stack including a plurality of unit cells 10 is configured, a plurality of unit cells 10 are laminated by a conventional method to obtain a laminate, and a current collector, an insulating plate, and an end plate are attached to both ends of the laminate. A polymer electrolyte fuel cell comprising a stack can be manufactured by arranging and fastening the whole.
As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment. For example, the cathode catalyst layer 12 may be composed of three or more layers, and the anode catalyst layer 13 may be the same as the cathode catalyst layer 12.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.

《実施例1》
本実施例では、まず図2に示す構造を有する膜触媒接合体を作製した。
まず第1触媒層形成用インクを調製した。平均粒径が約5nmの白金コバルト合金粒子をカーボン粒子上に担持させた触媒担持粒子(PtCo触媒担持カーボン)(田中貴金属工業(株)製、50質量%が白金コバルト合金)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(旭硝子(株)製の商品名「Flemion」)とを、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させた。さらに、触媒担持粒子の担体の質量Wcatに対する高分子電解質の質量Wpの比Wp/Wcatが2.0となるように、第1触媒層形成用インクを調製した。この第1触媒層形成用インクを用いて、総白金担持量が0.12mg/cm2で、寸法が60mm×60mmの第1触媒層12aを高分子電解質膜11(ジャパンゴアテックス(株)製の商品名「GSII」、150mm×150mm)の一方の面にスプレー法によって塗布し、形成した。
Example 1
In this example, a membrane catalyst assembly having the structure shown in FIG. 2 was first prepared.
First, a first catalyst layer forming ink was prepared. Catalyst-carrying particles (PtCo catalyst-carrying carbon) (made by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., 50% by mass platinum-cobalt alloy) in which platinum-cobalt alloy particles having an average particle diameter of about 5 nm are supported on carbon particles, and hydrogen ion conduction The polymer electrolyte solution having the property (trade name “Flemion” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was dispersed in a mixed dispersion medium (mass ratio 1: 1) of ethanol and water. Furthermore, the first catalyst layer forming ink was prepared so that the ratio Wp / Wcat of the mass Wp of the polymer electrolyte to the mass Wcat of the carrier of the catalyst-carrying particles was 2.0. Using this first catalyst layer forming ink, a first catalyst layer 12a having a total platinum carrying amount of 0.12 mg / cm 2 and a size of 60 mm × 60 mm was formed into a polymer electrolyte membrane 11 (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd.). The product name “GSII”, 150 mm × 150 mm) was applied by spraying to form one surface.

次いで、第2触媒層形成用インクを作製した。平均粒径が約2nmの白金コバルト粒子をカーボン粒子上に担持させた触媒担持粒子(Pt触媒担持カーボン)(田中貴金属工業(株)製、50質量%が白金コバルト合金)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(旭硝子(株)製の商品名「Flemion」)とを、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させた。さらに、触媒担持粒子の担体の質量Wcatに対する高分子電解質の質量Wpの比Wp/Wcatが0.8となるように、第2触媒層形成用インクを調製した。この第2触媒層形成用インクを用いて、総白金担持量が0.48mg/cm2で、寸法が60mm×60mmの第2触媒層12bを第1触媒層12aの上にスプレー法によって塗布し、形成した。 Next, a second catalyst layer forming ink was prepared. Catalyst-supported particles (Pt catalyst-supported carbon) in which platinum cobalt particles having an average particle diameter of about 2 nm are supported on carbon particles (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., 50% by mass platinum-cobalt alloy), and hydrogen ion conductivity A polymer electrolyte solution (trade name “Flemion” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) having a water content was dispersed in a mixed dispersion medium (mass ratio 1: 1) of ethanol and water. Further, the second catalyst layer forming ink was prepared so that the ratio Wp / Wcat of the mass Wp of the polymer electrolyte to the mass Wcat of the carrier of the catalyst-carrying particles was 0.8. Using this second catalyst layer forming ink, a second catalyst layer 12b having a total platinum carrying amount of 0.48 mg / cm 2 and dimensions of 60 mm × 60 mm was applied onto the first catalyst layer 12a by a spray method. Formed.

次に、白金ルテニウム合金(物質量比;白金:ルテニウム=1:1.5モル比)粒子をカーボン粒子上に担持させた触媒担持粒子(PtRu触媒担持カーボン)(田中貴金属工業(株)製、50質量%がPt−Ru合金)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(旭硝子(株)製の商品名「Flemion」)とを、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させた。さらに、触媒担持粒子の担体の質量Wcatに対する高分子電解質の質量Wpの比Wp/Wcatが0.8となるようにしてアノード触媒層形成用インクを調製した。このアノード触媒層形成用インクを、高分子電解質膜11のカソード触媒層12が形成された面とは反対側の面に、スプレー法によって塗布し、単層(1層)構造を有しかつ白金担持量が0.35mg/cm2で寸法が60mm×60mmのアノード触媒層を形成した。
このようにしてアノード触媒層13を形成することにより、図2に示す構造を有する本発明の膜触媒層接合体を作製した。
Next, catalyst-supported particles (PtRu catalyst-supported carbon) in which platinum ruthenium alloy (material amount ratio; platinum: ruthenium = 1: 1.5 molar ratio) particles are supported on carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., 50% by mass of Pt—Ru alloy) and a polymer electrolyte solution having hydrogen ion conductivity (trade name “Flemion” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and a mixed dispersion medium of ethanol and water (mass ratio 1: 1). Furthermore, an anode catalyst layer forming ink was prepared such that the ratio Wp / Wcat of the mass Wp of the polymer electrolyte to the mass Wcat of the catalyst-supported particles was 0.8. This ink for forming an anode catalyst layer is applied to the surface of the polymer electrolyte membrane 11 opposite to the surface on which the cathode catalyst layer 12 is formed by a spray method, has a single layer (one layer) structure, and is made of platinum. An anode catalyst layer having a loading amount of 0.35 mg / cm 2 and dimensions of 60 mm × 60 mm was formed.
By forming the anode catalyst layer 13 in this manner, a membrane catalyst layer assembly of the present invention having the structure shown in FIG. 2 was produced.

撥水処理が施されたカーボンクロスと、上記カーボンクロスの一方の面に設けられたフッ素樹脂およびカーボンを含有する撥水カーボン層と、を含むガス拡散層(ジャパンゴアテックス(株)製の商品名「CARBEL−CL」)を用意し、上記撥水カーボン層の中央部分がカソード触媒層12およびアノード触媒層13に接するように、2枚のガス拡散層で上記膜触媒層接合体を挟み、全体をホットプレスで熱圧着(120℃、30分、10kgf/cm2)し、図1に示す構造を有する本発明の膜電極接合体20を得た。 A gas diffusion layer (a product made by Japan Gore-Tex Co., Ltd.) comprising a carbon cloth that has been subjected to water repellent treatment, and a water-repellent carbon layer that contains a fluororesin and carbon provided on one surface of the carbon cloth. Name “CARBEL-CL”), and sandwiching the membrane-catalyst layer assembly between two gas diffusion layers so that the central portion of the water-repellent carbon layer is in contact with the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13; The whole was hot-pressed with a hot press (120 ° C., 30 minutes, 10 kgf / cm 2 ) to obtain a membrane electrode assembly 20 of the present invention having the structure shown in FIG.

最後に、上記のようにして得た膜電極接合体を用い、図1に示す構造を有する高分子電解質型燃料電池(単電池)10を作製した。上記膜電極接合体20を、燃料ガス供給用のガス流路3および冷却水流路4を有するセパレータ2と、酸化剤ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータ2とで挟持し、両セパレータ間でカソードおよびアノードの周囲にフッ素ゴム製のガスケットを配置し、有効電極(アノードまたはカソード)面積が36cm2である単電池(本発明の高分子電解質型燃料電池)を得た。 Finally, using the membrane / electrode assembly obtained as described above, a polymer electrolyte fuel cell (unit cell) 10 having the structure shown in FIG. 1 was produced. The membrane electrode assembly 20 is sandwiched between a separator 2 having a gas flow path 3 for supplying a fuel gas and a cooling water flow path 4 and a separator 2 having a gas flow path for supplying an oxidant gas and a cooling water flow path. A gasket made of fluoro rubber was disposed between the separators around the cathode and the anode to obtain a unit cell (polymer electrolyte fuel cell of the present invention) having an effective electrode (anode or cathode) area of 36 cm 2 .

《比較例1》
第1触媒層12aに含まれる金属触媒として平均粒径が2nmのPt触媒を用いた以外は、実施例1と同様にして膜触媒層接合体、膜電極接合体および単電池を作製した。
<< Comparative Example 1 >>
A membrane catalyst layer assembly, a membrane electrode assembly, and a unit cell were produced in the same manner as in Example 1 except that a Pt catalyst having an average particle diameter of 2 nm was used as the metal catalyst contained in the first catalyst layer 12a.

《比較例2》
第2触媒層13に含まれる金属触媒として平均粒径が5nmのPtCo触媒を用いた以外は、実施例1と同様にして膜触媒層接合体、膜電極接合体および単電池を作製した。
<< Comparative Example 2 >>
A membrane catalyst layer assembly, a membrane electrode assembly, and a single cell were produced in the same manner as in Example 1 except that a PtCo catalyst having an average particle size of 5 nm was used as the metal catalyst contained in the second catalyst layer 13.

[評価試験]
上記実施例1ならびに比較例1及び比較例2で得られた単電池10のセル温度を70℃に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側のガス流路に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を70%に設定し、空気利用率を40%に設定し、水素ガスおよび空気の露点がそれぞれ約70℃となるように加湿してから単電池に供給した。そして、電流密度0.3mA・cm-2で12時間、単電池を運転してエージングを行った。
[Evaluation test]
The cell temperature of the unit cell 10 obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 is controlled to 70 ° C., hydrogen gas is supplied as a fuel gas to the gas flow path on the anode side, and the gas flow on the cathode side is Air was supplied to each road. At this time, the utilization rate of hydrogen gas was set to 70%, the utilization rate of air was set to 40%, and humidification was performed so that the dew points of hydrogen gas and air were about 70 ° C., respectively. Then, aging was performed by operating the cell at a current density of 0.3 mA · cm −2 for 12 hours.

(1)カソード触媒層の電気化学的比表面積(ECSA:Electro Chemical Surface Area )測定による評価
カソード触媒層12のECSAを評価するために、負荷電流密度を停止し、カソードに供給するガスを窒素ガスに変化させることでカソードを不活性雰囲気に完全に置換した。さらにカソードおよびアノードに流すガスの流量を、それぞれ300ccmに設定した。それ以外の条件は上記エージングの条件と同じとした。この状態において電気化学測定装置(北斗電工(株)製のHZ−3000)で、カソードを作用極、アノードを対極および参照極として、カソード電位をREST〜+1.0V(vs.RHE)、三角波の掃引速度を10mV/secで、カソードのサイクリックボルタンメトリー(CV)を測定した。
得られたCVの結果からH2の酸化波の電荷量を計算し、Ptに吸着したH2の量からカソード触媒のECSAを導き出した。
(1) Evaluation by Electrochemical Surface Area (ECSA) Measurement of Cathode Catalyst Layer In order to evaluate ECSA of the cathode catalyst layer 12, the load current density is stopped and the gas supplied to the cathode is nitrogen gas. To completely replace the cathode with an inert atmosphere. Furthermore, the flow rate of the gas flowing through the cathode and the anode was set to 300 ccm, respectively. The other conditions were the same as the above aging conditions. In this state, using an electrochemical measurement apparatus (HZ-3000 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), the cathode is the working electrode, the anode is the counter electrode and the reference electrode, the cathode potential is REST to +1.0 V (vs. RHE), and the triangular wave The cyclic voltammetry (CV) of the cathode was measured at a sweep rate of 10 mV / sec.
The charge amount of the oxidation wave of H 2 was calculated from the obtained CV result, and the ECSA of the cathode catalyst was derived from the amount of H 2 adsorbed on Pt.

(2)電池出力特性評価試験
一定条件下の電池出力特性を評価するために、上記カソードのCV測定後、負荷電流密度0.2mA・cm-2とし、それ以外の条件は、上記エージングと同じ条件下で各単電池を運転し、10hr経過後の出力電圧を記録した。
(2) Battery output characteristic evaluation test In order to evaluate the battery output characteristic under a certain condition, after the CV measurement of the cathode, the load current density is 0.2 mA · cm −2, and other conditions are the same as the above aging. Each cell was operated under the conditions, and the output voltage after 10 hours was recorded.

(3)カソード電位サイクル試験
カソードの担持された金属触媒の凝集に対する耐性を評価するために、上記カソード触媒層のECSAの評価と同様の条件で、アノード電位を基準としてカソード電位を+0.1V〜+1.0Vまで数千回、サイクルさせた。このようなサイクル試験は電位が0V付近から+1V付近まで急激に変化することから燃料電池の運転・停止をほぼ単電池で模擬している。また、このような触媒材料の劣化はスタックにしても隣のセルの影響を受けずに単独で劣化することから単セルでの評価についても特に問題は無い。このようなサイクル試験の任意の回数においてサイクル試験を停止し、上述の(1)カソード触媒層のECSAおよび(2)電池出力の測定を行いカソード触媒層の劣化状態を把握した。この結果を表1にまとめた。なお、表1にはカソードの構成についても併せて記載した。
(3) Cathode potential cycle test In order to evaluate the resistance against aggregation of the metal catalyst supported on the cathode, the cathode potential is set to +0.1 V to +0.1 V based on the anode potential under the same conditions as the ECSA evaluation of the cathode catalyst layer. It was cycled thousands of times to + 1.0V. In such a cycle test, since the potential changes rapidly from around 0V to around + 1V, the operation / stop of the fuel cell is almost simulated by a single cell. In addition, since such deterioration of the catalyst material is not affected by the adjacent cell even if it is stacked, it deteriorates independently, so that there is no particular problem in the evaluation with a single cell. The cycle test was stopped at any number of such cycle tests, and (1) the ECSA of the cathode catalyst layer and (2) the battery output were measured to grasp the deterioration state of the cathode catalyst layer. The results are summarized in Table 1. Table 1 also shows the configuration of the cathode.

Figure 0005204382
Figure 0005204382

表1の結果から明らかなように、実施例1における初期電圧は、粒径が2nmのPtを用いた比較例1の初期電圧と同等であり、粒径が5nmのPtCoを用いた比較例2の初期電圧に比べて上昇している。また、カソード電位サイクル試験における3000サイクル後のECSAの低下率は、比較例1に比べて実施例1および比較例2では抑制されており、電圧の低下も少ない。以上の結果から、実施例1は比較例1及び比較例2に比べて初期電圧を向上させ、さらに運転・停止時の劣化も抑制し得ることが確認された。
また、実施例1は比較例2に比較して、Pt触媒のみを使用する場合に比較し、PtCo合金触媒を使用することによるMEAのコストアップを十分に抑制できることが確認された。
As is apparent from the results in Table 1, the initial voltage in Example 1 is equivalent to the initial voltage in Comparative Example 1 using Pt with a particle size of 2 nm, and Comparative Example 2 using PtCo with a particle size of 5 nm. Compared to the initial voltage of. Further, the decrease rate of ECSA after 3000 cycles in the cathode potential cycle test is suppressed in Example 1 and Comparative Example 2 as compared with Comparative Example 1, and the decrease in voltage is small. From the above results, it was confirmed that Example 1 can improve the initial voltage as compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and can further suppress deterioration during operation / stop.
Moreover, compared with the comparative example 2, Example 1 compared with the case where only a Pt catalyst is used, and it was confirmed that the cost increase of MEA by using a PtCo alloy catalyst can fully be suppressed.

本発明によれば、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の急激な運転(起動)および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができるカソード触媒層を提供することができる。また、本発明によれば、上記カソード触媒層を用いることにより、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を実現することができる、膜触媒層接合体および膜電極接合体を提供することができる。さらに本発明によれば、上記膜電極接合体を用いることにより、初期の電圧が高くかつ高分子電解質形燃料電池の運転および停止による劣化ならびに電圧低下の抑制された高分子電解質形燃料電池を提供することができる。かかる本発明の高分子電解質形燃料電池は、高耐久の定置形および移動形の燃料電池として有用である。   According to the present invention, a cathode catalyst capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell that has a high initial voltage and that is suppressed from deterioration due to rapid operation (startup) and stop of the polymer electrolyte fuel cell and voltage drop. A layer can be provided. In addition, according to the present invention, by using the cathode catalyst layer, a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and suppressed deterioration and voltage drop due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell is realized. A membrane catalyst layer assembly and a membrane electrode assembly that can be provided can be provided. Furthermore, according to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell having a high initial voltage and suppressed deterioration due to operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell and voltage drop by using the membrane electrode assembly. can do. Such a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is useful as a highly durable stationary type and mobile type fuel cell.

本発明の高分子電解質型燃料電池の好適な一実施形態に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the single cell mounted in suitable one Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 図1に示す単電池1に搭載される膜電極接合体の基本構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the basic composition of the membrane electrode assembly mounted in the single battery 1 shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・ガスケット、2・・・セパレータ、3・・・ガス流路、4・・・冷却水流路、10・・・単電池、11・・・高分子電解質膜、12・・・カソード触媒層、12a・・・第1触媒層、12b・・・第2触媒層、13・・・アノード触媒層、14・・・ガス拡散層、15・・・カソード、16・・・アノード、20・・・膜電極接合体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gasket, 2 ... Separator, 3 ... Gas flow path, 4 ... Cooling water flow path, 10 ... Single cell, 11 ... Polymer electrolyte membrane, 12 ... Cathode catalyst Layer, 12a ... first catalyst layer, 12b ... second catalyst layer, 13 ... anode catalyst layer, 14 ... gas diffusion layer, 15 ... cathode, 16 ... anode, 20. ..Membrane electrode assemblies

Claims (8)

アノードと、カソードと、水素イオン伝導性を有しており前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜と、を有する構成を含む高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層であって、
担体および前記担体に担持された金属触媒を含む触媒担持粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、を含む少なくとも2層の触媒層で構成されており、
前記高分子電解質膜側に接する側に位置する第1触媒層のうちの前記金属触媒の粒径R1と、前記高分子電解質膜に接しない側に位置する第2触媒層のうちの前記金属触媒の粒径R2と、が関係式:R1>R2を満たし、
少なくとも前記第1触媒層に含まれる前記金属触媒が合金からなり、
前記第1触媒層における、前記触媒担持粒子の担体の質量Wcatと前記触媒担持粒子に付着した前記高分子電解質の質量Wpとの比Wp/Wcatが、前記第2触媒層における比Wp/Wcatよりも大きくなっていること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層。
A cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: an anode; a cathode; and a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity and disposed between the anode and the cathode. There,
It is composed of at least two catalyst layers including a carrier and catalyst-carrying particles containing a metal catalyst supported on the carrier, and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity,
The particle size R 1 of the metal catalyst in the first catalyst layer located on the side in contact with the polymer electrolyte membrane side and the metal in the second catalyst layer located on the side not in contact with the polymer electrolyte membrane The particle size R 2 of the catalyst satisfies the relational expression: R 1 > R 2 ,
Ri said metallic catalyst is included in at least the first catalyst layer Do alloy,
The ratio Wp / Wcat between the mass Wcat of the catalyst-carrying particle carrier in the first catalyst layer and the mass Wp of the polymer electrolyte adhering to the catalyst-carrying particle is greater than the ratio Wp / Wcat in the second catalyst layer. Rukoto also have increased,
A cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell.
前記第1触媒層のうちの前記金属触媒の粒径R1が5nm以上であること、を特徴とする請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層。 2. The cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a particle diameter R 1 of the metal catalyst in the first catalyst layer is 5 nm or more. 前記合金触媒がPt−Co合金であること、を特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層。   The cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the alloy catalyst is a Pt-Co alloy. 前記第1触媒層における、前記触媒担持粒子の担体の質量Wcatと前記触媒担持粒子に付着した前記高分子電解質の質量Wpとの比Wp/Wcatが、前記第2触媒層から前記第1触媒層にかけて増加しており、
前記第1触媒層における前記比Wp/Wcatが0.8〜3.0であり、かつ前記第2触媒層における前記比Wp/Wcatが0.2〜0.8であること、
を特徴とする請求項1〜3のうちのいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池用のカソード触媒層。
In the first catalyst layer, a ratio Wp / Wcat between a mass Wcat of the catalyst-carrying particle carrier and a mass Wp of the polymer electrolyte adhering to the catalyst-carrying particle is from the second catalyst layer to the first catalyst layer. Has increased over time,
The ratio Wp / Wcat in the first catalyst layer is 0.8 to 3.0, and the ratio Wp / Wcat in the second catalyst layer is 0.2 to 0.8;
The cathode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
アノード触媒層と、カソード触媒層と、水素イオン伝導性を有しており前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置される高分子電解質膜と、を少なくとも含む高分子電解質形燃料電池用の膜触媒接合体であって、
前記カソード触媒層として、請求項1〜4のうちのいずれかに記載のカソード触媒層が搭載されており、当該カソード触媒層のうちの前記第1触媒層が前記高分子電解質膜と接していること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用の膜触媒接合体。
A polymer electrolyte fuel cell comprising at least an anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity and disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer A membrane catalyst assembly for
The cathode catalyst layer according to any one of claims 1 to 4 is mounted as the cathode catalyst layer, and the first catalyst layer of the cathode catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane. about,
A membrane catalyst assembly for a polymer electrolyte fuel cell characterized by
請求項1〜4のうちのいずれかに記載のカソード触媒層と、
前記カソード触媒層のうちの前記第2触媒層と接するガス拡散層と、
を少なくとも具備していること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用のカソードガス拡散電極。
The cathode catalyst layer according to any one of claims 1 to 4,
A gas diffusion layer in contact with the second catalyst layer of the cathode catalyst layer;
Having at least
A cathode gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell.
アノードと、カソードと、水素イオン伝導性を有しており前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜と、を有する高分子電解質形燃料電池用の膜電極接合体であって、
前記カソードが、請求項1〜4のうちのいずれかに記載のカソード触媒層を含み、
前記カソード触媒層は、前記第1触媒層が前記高分子電解質膜に接するように配置されていること、
を特徴とする高分子電解質形燃料電池用の膜電極接合体。
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: an anode; a cathode; and a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity and disposed between the anode and the cathode. ,
The cathode includes the cathode catalyst layer according to any one of claims 1 to 4,
The cathode catalyst layer is disposed so that the first catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane;
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell characterized by
請求項7に記載の膜電極接合体を含むこと、を特徴とする高分子電解質形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 7.
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