JP5298566B2 - Membrane electrode assembly - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly in which superior power generation performance is exhibited even under low humidification conditions. <P>SOLUTION: The membrane-electrode assembly is composed by means that an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer containing an electrode catalyst in which catalyst components are carried on a conductive carrier and polymer electrolyte are arranged opposite to both faces of a solid polymer electrolyte membrane, and this is pinched by a pair of gas diffusion layers. Then, at least one part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer has a prescribed pore structure. Concretely, in a pore distribution by a mercury porosimetry, the pore structure within the range of the hole diameter of 0.01-0.10 &mu;m has the mode hole diameter within a range of 0.030-0.050 &mu;m. Then, the ratio of a half-value width against the height of the peak of the mode hole diameter is 0.030 &mu;m/(cm<SP>3</SP>g<SP>-1</SP>) or less. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)に関する。特に、本発明は、低加湿条件下においても、高い出力密度で安定した発電が可能な膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly (MEA). In particular, the present invention relates to a membrane electrode assembly capable of stable power generation at a high power density even under low humidification conditions.

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

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

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

一般的に、上記のような膜電極接合体において、アノード触媒層は、燃料ガスの酸化反応に伴うプロトンの移動と同時に水分子がカソード側に移動するために、比較的低加湿条件になることが知られている。一方、カソード触媒層は前記電気化学反応によって生じた水により、比較的高加湿条件になる。このようなことから、アノード側およびカソード側の電極触媒層の水分管理が適切になされることが望まれる。   In general, in the membrane electrode assembly as described above, the anode catalyst layer has a relatively low humidification condition because water molecules move to the cathode side simultaneously with the movement of protons accompanying the oxidation reaction of the fuel gas. It has been known. On the other hand, the cathode catalyst layer is relatively humidified by the water generated by the electrochemical reaction. For these reasons, it is desired that moisture management of the anode-side and cathode-side electrode catalyst layers be appropriately performed.

特許文献1には、アノード側およびカソード側の触媒層を、細孔径および細孔容積が相対的に小さい第1の触媒層と、細孔径および細孔容積が相対的に大きい第2の触媒層から構成する固体高分子形燃料電池が記載されている。そして、第1の触媒層を反応ガスの入口側に、また第2の触媒層を反応ガスの出口側に配している。これにより、電解質膜の水分量が全域にわたって適度に保たれ、かつ触媒層のガス拡散性が良好に維持され、優れたセル特性を有する固体高分子形燃料電池が得られうるとしている。   In Patent Document 1, the catalyst layers on the anode side and the cathode side are divided into a first catalyst layer having a relatively small pore diameter and pore volume, and a second catalyst layer having a relatively large pore diameter and pore volume. A polymer electrolyte fuel cell comprising: The first catalyst layer is disposed on the reaction gas inlet side, and the second catalyst layer is disposed on the reaction gas outlet side. As a result, it is said that a solid polymer fuel cell can be obtained in which the moisture content of the electrolyte membrane is maintained moderately over the entire region, the gas diffusibility of the catalyst layer is maintained well, and the cell characteristics are excellent.

また、特許文献2には、触媒、担体、電解質および造孔剤からなる電極触媒層を有する固体高分子形燃料電池が記載されている。前記担体は、[002]面の平均格子面間隔d002が0.338〜0.355nmであり、比表面積が80〜250m/gであり、かさ密度が0.30〜0.45g/mlであることを特徴とする。また、前記電極触媒層中の0.01〜2.0μmの細孔容積が3.8μl/cm/mg−Pt以上であり、かつ0.01〜0.15μmの細孔容積が2.0μl/cm/mg−Pt以上であることを特徴とする。このような電極触媒層中の細孔の制御により、優れた発電性能を有する固体高分子形燃料電池が得られうるとしている。
特開2002−237306号公報 特開2005−26174号公報
Patent Document 2 describes a polymer electrolyte fuel cell having an electrode catalyst layer composed of a catalyst, a carrier, an electrolyte, and a pore-forming agent. The carrier has an average lattice spacing d 002 of [002] plane of 0.338 to 0.355 nm, a specific surface area of 80 to 250 m 2 / g, and a bulk density of 0.30 to 0.45 g / ml. It is characterized by being. The pore volume of 0.01 to 2.0 μm in the electrode catalyst layer is 3.8 μl / cm 2 / mg-Pt or more, and the pore volume of 0.01 to 0.15 μm is 2.0 μl. / Cm 2 / mg-Pt or more. It is said that a polymer electrolyte fuel cell having excellent power generation performance can be obtained by controlling the pores in the electrode catalyst layer.
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-237306 JP 2005-26174 A

上記特許文献1には、具体的には、第1の触媒層の細孔径が0.01〜0.05μm、細孔容積が0.05〜0.4ml/gであり、第2の触媒層の細孔径が0.05〜0.1μm、細孔容積が0.4〜1.0ml/gであることが記載されている。そして、このような細孔を有する触媒層によって、電解質膜の水分量が維持されうるとしている。しかしながら、触媒層自体の保水性は低いので、触媒層中の電解質のプロトン伝導性は低いままである。よって、触媒層中の電解質抵抗値(アイオノマー抵抗値)が高く、所望の発電性能を得られないという問題点があった。また、入口側の反応ガスに含まれる水分量が相対的に少なく、出口側の反応ガスに含まれる水分量は相対的に多いことを前提として、低加湿条件に特化した構造を有する第1の触媒層および高加湿条件に特化した構造を有する第2の触媒層を設けている。しかしながら、このような2種類の触媒層を以てしても、供給される反応ガス自体の水分量の変化や複雑に変化するセル内の湿度分布には対応できないという問題点があった。   Specifically, in Patent Document 1, the first catalyst layer has a pore diameter of 0.01 to 0.05 μm and a pore volume of 0.05 to 0.4 ml / g. The pore diameter is 0.05 to 0.1 μm and the pore volume is 0.4 to 1.0 ml / g. The catalyst layer having such pores can maintain the water content of the electrolyte membrane. However, since the water retention of the catalyst layer itself is low, the proton conductivity of the electrolyte in the catalyst layer remains low. Therefore, there has been a problem that the electrolyte resistance value (ionomer resistance value) in the catalyst layer is high and the desired power generation performance cannot be obtained. The first structure has a structure specialized for low humidification conditions on the assumption that the amount of water contained in the reaction gas on the inlet side is relatively small and the amount of water contained in the reaction gas on the outlet side is relatively large. And a second catalyst layer having a structure specialized for high humidification conditions. However, even with such two types of catalyst layers, there has been a problem that it is not possible to cope with changes in the moisture content of the supplied reaction gas itself and the humidity distribution in the cell that changes in a complicated manner.

また、上記特許文献2に記載の技術において、細孔径0.01〜0.15μmの細孔は、主に燃料ガスや酸化性ガスを供給するためのものであり、細孔径0.15〜2.0μmの細孔は、発電で生成された水を排出するためのものであるとしている。しかしながら、このような大小の細孔径を有する細孔が散在する構造を有する触媒層は、やはり、保水性が低いために、触媒層中の電解質のプロトン伝導性が低い。また、大きな細孔径を有する細孔部分では、触媒層の表面のアイオノマーネットワークが分断されている。これにより、電解質抵抗値が高いために、所望の発電性能を得られないという問題点があった。   In the technique described in Patent Document 2, pores having a pore diameter of 0.01 to 0.15 μm are mainly for supplying fuel gas and oxidizing gas, and pore diameters of 0.15 to 2 are used. The pores of 0.0 μm are for discharging water generated by power generation. However, the catalyst layer having such a structure in which pores having large and small pore diameters are scattered has low water retention, so that the proton conductivity of the electrolyte in the catalyst layer is low. Further, the ionomer network on the surface of the catalyst layer is divided in the pore portion having a large pore diameter. As a result, there is a problem in that the desired power generation performance cannot be obtained because the electrolyte resistance value is high.

そこで本発明は、低加湿条件下においても、優れた発電性能を発揮する膜電極接合体を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly that exhibits excellent power generation performance even under low humidification conditions.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、所定の空孔直径を有する空孔が電極触媒層中に均一に存在することにより、良好なアイオノマーネットワークを形成し、優れた保水性を有する膜電極接合体が得られることを見出した。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that the presence of pores having a predetermined pore diameter uniformly in the electrode catalyst layer forms a good ionomer network and provides a membrane electrode assembly having excellent water retention. .

すなわち、上記目的を達成するための本発明の膜電極接合体は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含むアノード触媒層およびカソード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる。そして、前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の少なくとも一部が、所定の空孔構造を有する。具体的には、当該空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.030〜0.050μmの範囲に有する。そして、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.030μm/(cm−1)以下である。 That is, in order to achieve the above object, the membrane electrode assembly of the present invention has an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer containing an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier, and a polymer electrolyte. The molecular electrolyte membrane is disposed so as to face both surfaces, and is sandwiched between a pair of gas diffusion layers. At least a part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer has a predetermined pore structure. Specifically, the hole structure has a modest hole diameter in a range of 0.01 to 0.10 μm in a range of 0.030 to 0.050 μm in a hole distribution by a mercury intrusion method. And the ratio of the half width with respect to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.030 μm / (cm 3 g −1 ) or less.

本発明によれば、低加湿条件下においても、優れた発電性能を発揮する膜電極接合体を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a membrane electrode assembly that exhibits excellent power generation performance even under low humidification conditions.

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本実施形態は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含むアノード触媒層およびカソード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる膜電極接合体に関する。そして、前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の少なくとも一部が、所定の空孔構造を有する。具体的には、当該空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.030〜0.050μmの範囲に有する。そして、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.030μm/(cm−1)以下である。 In the present embodiment, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer containing an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte are disposed opposite to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a membrane / electrode assembly formed by sandwiching between a pair of gas diffusion layers. At least a part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer has a predetermined pore structure. Specifically, the hole structure has a modest hole diameter in a range of 0.01 to 0.10 μm in a range of 0.030 to 0.050 μm in a hole distribution by a mercury intrusion method. And the ratio of the half width with respect to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.030 μm / (cm 3 g −1 ) or less.

以下、図面を参照しながら、本発明を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

[膜電極接合体]
図1は、本発明の膜電極接合体の一般的な全体構造を模式的に表した断面概略図である。図1に示すように、本発明の膜電極接合体100は、アノード触媒層120aおよびカソード触媒層120cが、固体高分子電解質膜110の両面に対向して配置されている。そして、これを一対のアノード側ガス拡散層140aおよびカソード側ガス拡散層140cが挟持してなる。アノード触媒層120aおよびカソード触媒層120cは、電極触媒および高分子電解質を含む。この電極触媒は、導電性担体が触媒成分を担持してなる。
[Membrane electrode assembly]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a membrane electrode assembly of the present invention. As shown in FIG. 1, in the membrane electrode assembly 100 of the present invention, the anode catalyst layer 120 a and the cathode catalyst layer 120 c are arranged to face both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 110. A pair of anode side gas diffusion layer 140a and cathode side gas diffusion layer 140c is sandwiched therebetween. The anode catalyst layer 120a and the cathode catalyst layer 120c include an electrode catalyst and a polymer electrolyte. In this electrode catalyst, a conductive carrier carries a catalyst component.

以下、本発明の膜電極接合体を構成する部材について簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   Hereinafter, although the member which comprises the membrane electrode assembly of this invention is demonstrated easily, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

(電極触媒層)
電極触媒層には、アノード触媒層およびカソード触媒層の2つがある。以下、アノード触媒層とカソード触媒層との区別をしないときは、単に「電極触媒層」という。電極触媒層は、電気化学反応により、電気エネルギーを生み出す機能を有する。アノード触媒層では水素の酸化反応により、プロトンおよび電子が生成する。ここで生じたプロトンおよび電子は、カソード触媒層での酸素の還元反応に用いられる。
(Electrode catalyst layer)
There are two electrode catalyst layers, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer. Hereinafter, when the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are not distinguished, they are simply referred to as “electrode catalyst layers”. The electrode catalyst layer has a function of generating electric energy by an electrochemical reaction. In the anode catalyst layer, protons and electrons are generated by the oxidation reaction of hydrogen. Protons and electrons generated here are used for oxygen reduction reaction in the cathode catalyst layer.

アノード側またはカソード側の電極触媒層の少なくとも一部は、所定の空孔構造を有する。具体的には、当該空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.030〜0.050μmの範囲に有する。そして、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.030μm/(cm−1)以下である。なお、以下の説明において、空孔はすべて円筒形であると仮定し、空孔直径はD、空孔容積はVで表す。 At least a part of the anode-side or cathode-side electrode catalyst layer has a predetermined pore structure. Specifically, the hole structure has a modest hole diameter in a range of 0.01 to 0.10 μm in a range of 0.030 to 0.050 μm in a hole distribution by a mercury intrusion method. And the ratio of the half width with respect to the peak height of the peak of the mode hole diameter is 0.030 μm / (cm 3 g −1 ) or less. In the following description, it is assumed that all the holes are cylindrical, the hole diameter is D, and the hole volume is V.

ここで、水銀圧入法とは、大抵の物質と反応せず、濡れもない水銀を、圧力を加えて固体の空孔中へ圧入し、その時に加えた圧力と押し込まれた(侵入した)水銀容積の関係から試料表面の空孔の大きさとその体積を測定する手法である。サンプルおよび水銀を充填したセルを高圧容器内で連続的に加圧していくと、水銀は大きな空孔から小さな空孔へと順に圧入されていく。どれくらいの圧力をかけたときに、どれくらいの大きさの孔に水銀が入っていくかは、理論的にWashburnの式(D=−4σcosθ/P)から計算できる。ここで、Pは加える圧力、Dは空孔直径、σは水銀の表面張力、θは水銀と空孔壁面の接触角である。σおよびθを定数として取り扱うことで、Washburnの式から加えた圧力Pと空孔径Dの関係が求められ、その時の侵入容積を測定することにより、空孔径とその容積分布が導かれる。なお、下記実施例においては、水銀の表面張力σを485 dyn cm−1、水銀と空孔壁面の接触角を130°として空孔直径を算出している。そこで、本発明と従来公知の技術との比較においては、これらの値を用いて従来公知の技術における空孔直径を算出しなおす必要がある。 Here, the mercury intrusion method is a method in which mercury that does not react with most substances and does not wet is pressed into solid vacancies under pressure, and the pressure applied at that time is pushed (intruded) mercury. This is a technique for measuring the size and volume of vacancies on the sample surface from the relationship of volume. When a cell filled with a sample and mercury is continuously pressurized in a high-pressure vessel, mercury is sequentially injected from a large hole to a small hole. It can be theoretically calculated from the Washburn equation (D = −4σcos θ / P) how much pressure the mercury enters into the pores of which size. Here, P is the applied pressure, D is the pore diameter, σ is the surface tension of mercury, and θ is the contact angle between mercury and the pore wall surface. By treating σ and θ as constants, the relationship between the pressure P applied from the Washburn equation and the hole diameter D is obtained, and the hole diameter and its volume distribution are derived by measuring the intrusion volume at that time. In the following examples, the hole diameter is calculated assuming that the surface tension σ of mercury is 485 dyn cm −1 and the contact angle between mercury and the hole wall surface is 130 °. Therefore, in comparison between the present invention and a conventionally known technique, it is necessary to recalculate the hole diameter in the conventionally known technique using these values.

具体的には、固体高分子電解質膜の両面に本発明に係る電極触媒層を形成し、CCM(catalyst coated membrane)を作製する。このCCMを測定セルに投入し、この試料が投入された測定セルを真空排気した後に水銀を充填し、セル内部を連続的に加圧し、その過程での水銀侵入容積(W1[cm])を静電容量検出器で検知する。別途、電極触媒層を形成する前の固体高分子電解質膜単独について同様の操作を行ない、水銀侵入容積(W0[cm])を検知する。このCCMの水銀侵入量と電解質膜の水銀侵入量との差(W1−W0[cm])を電極触媒層質量(g)で除した値が、電極触媒層の空孔容積V(cm/g)である。 Specifically, the electrode catalyst layer according to the present invention is formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane to produce a CCM (catalyst coated membrane). The CCM is put into a measurement cell, the measurement cell containing the sample is evacuated and then filled with mercury, the inside of the cell is continuously pressurized, and the mercury intrusion volume (W1 [cm 3 ]) in the process Is detected by a capacitance detector. Separately, the same operation is performed on the solid polymer electrolyte membrane alone before forming the electrode catalyst layer, and the mercury intrusion volume (W0 [cm 3 ]) is detected. The value obtained by dividing the difference (W1−W0 [cm 3 ]) between the mercury penetration amount of the CCM and the mercury penetration amount of the electrolyte membrane by the electrode catalyst layer mass (g) is the pore volume V (cm 3 of the electrode catalyst layer). / G).

また、本発明において、空孔分布とは、ログ微分空孔容積分布をいう。ログ微分空孔容積分布を求めるには、まず、上記の水銀圧入法により得られる電極触媒層の空孔容積をVとし、空孔直径をDとした際の、差分空孔容積dVを空孔直径の対数扱いの差分値d(logD)で割った値(dV/d(logD))を求める。そして、このdV/d(logD)を各区分の平均空孔直径に対してプロットすればよい。なお、差分空孔容積dVとは、測定ポイント間の空孔容積の増加分をいう。   In the present invention, the pore distribution means a log differential pore volume distribution. In order to obtain the log differential hole volume distribution, first, the hole volume of the electrode catalyst layer obtained by the mercury intrusion method is set to V, and the hole diameter is set to D. A value (dV / d (logD)) divided by a logarithmic difference value d (logD) of the diameter is obtained. Then, this dV / d (logD) may be plotted against the average pore diameter of each section. The differential hole volume dV refers to an increase in the hole volume between measurement points.

図2は、本発明に係る電極触媒層が有する、一般的な空孔構造の空孔分布を表したグラフである。図2に示すように、横軸が空孔直径(対数目盛り)を表し、左側の縦軸がログ微分空孔容積を表す。ここで、実線は左側の縦軸のログ微分積分空孔容積に対してのグラフであり、破線は右側の縦軸の積算空孔容積に対してのグラフである。   FIG. 2 is a graph showing the pore distribution of a general pore structure possessed by the electrode catalyst layer according to the present invention. As shown in FIG. 2, the horizontal axis represents the hole diameter (logarithmic scale), and the left vertical axis represents the log differential hole volume. Here, the solid line is a graph for the log differential integral void volume on the left vertical axis, and the broken line is a graph for the accumulated void volume on the right vertical axis.

本発明に係る空孔構造は、水銀圧入法による空孔分布において、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径を0.030〜0.050μmの範囲に有する。これは、空孔直径0.01〜0.10μmの範囲におけるログ微分空孔容積の最大値が、空孔直径0.030〜0.050μmの範囲に存在することを意味する。なお、以下において、「空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径」を、単に「最頻空孔径」とも表す。上記空孔構造は、最頻空孔径を、好ましくは0.030〜0.045μmの範囲に有し、より好ましくは0.033〜0.044μmの範囲に有する。空孔直径0.030μm以下の空孔であると、電極触媒層における水の排出が好適になされない場合がある。また、空孔直径が0.050μm以上の空孔であると、電極触媒層の保水性が低下する虞がある。   The hole structure according to the present invention has a modest hole diameter in the range of 0.01 to 0.10 μm in the range of 0.030 to 0.050 μm in the hole distribution by the mercury intrusion method. This means that the maximum value of the log differential pore volume in the pore diameter range of 0.01 to 0.10 μm exists in the pore diameter range of 0.030 to 0.050 μm. In the following, “moderate hole diameter in the range of 0.01 to 0.10 μm hole diameter” is also simply referred to as “moderate hole diameter”. The pore structure preferably has a mode pore diameter in the range of 0.030 to 0.045 μm, and more preferably in the range of 0.033 to 0.044 μm. If the pore diameter is 0.030 μm or less, water may not be suitably discharged from the electrode catalyst layer. Further, when the pore diameter is 0.050 μm or more, the water retention of the electrode catalyst layer may be lowered.

そして、上記空孔構造において、最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比は0.030μm/(cm−1)以下である。なお、以下において、「最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比」を、単に「半値幅/ピーク高さ」とも表す。最頻空孔径のピークとは、ログ微分空孔容積の最大値を含むピークをいう。ピーク高さとは、ベースラインからピークトップまでを指す。ここで、本発明における空孔分布は空孔直径が0.50μmにおけるログ微分空孔容積の値を0cm−1と定義する。これは、空孔直径が0.50μmにおける積算空孔容積の値を0cm−1と定義することに起因する。そして、ログ微分空孔容積の値が0cm−1のラインをベースラインと定義する。つまり、本発明において、ベースラインはログ微分空孔容積分布のグラフの横軸となる。よって、ピーク高さは横軸からピークトップまでの値、すなわち、ピークの最大値に相当する。半値幅はあるピークの広がりの程度を表す指標で、そのピーク高さの1/2の高さにおけるピーク幅を指す。半値幅/ピーク高さは、好ましくは0.028μm/(cm−1)以下であり、より好ましくは0.025μm/(cm−1)以下である。半値幅/ピーク高さが0.030μm/(cm−1)以上であると、空孔構造の均一性が低下し、アイオノマーネットワークが分断され、保水性が低下する虞がある。半値幅/ピーク高さは、理論的には0を超える値であって、小さい値ほど好ましいが、現実的に製造可能な限界を考慮すると、好ましくは0.010μm/(cm−1)以上である。 And in the said void | hole structure, ratio of the half value width with respect to the peak height of the peak of a mode hole diameter is 0.030 micrometer / (cm < 3 > g < -1 >) or less. In the following, “the ratio of the half-value width to the peak height of the peak of the mode hole diameter” is also simply expressed as “half-value width / peak height”. The peak of the most frequent pore diameter refers to a peak including the maximum value of the log differential pore volume. Peak height refers to from the baseline to the peak top. Here, in the pore distribution in the present invention, the value of the log differential pore volume when the pore diameter is 0.50 μm is defined as 0 cm 3 g −1 . This is because the value of the accumulated pore volume when the pore diameter is 0.50 μm is defined as 0 cm 3 g −1 . A line having a log differential pore volume value of 0 cm 3 g −1 is defined as a baseline. That is, in the present invention, the baseline is the horizontal axis of the log differential pore volume distribution graph. Therefore, the peak height corresponds to the value from the horizontal axis to the peak top, that is, the maximum value of the peak. The full width at half maximum is an index representing the extent of the spread of a certain peak, and refers to the peak width at half the height of the peak. Half width / peak height is preferably not 0.028μm / (cm 3 g -1) or less, more preferably 0.025μm / (cm 3 g -1) or less. When the half width / peak height is 0.030 μm / (cm 3 g −1 ) or more, the uniformity of the pore structure is lowered, the ionomer network is divided, and the water retention may be lowered. The half-value width / peak height is theoretically a value exceeding 0 and is preferably as small as possible. However, in consideration of a practically manufacturable limit, it is preferably 0.010 μm / (cm 3 g −1 ). That's it.

これらの2つの数値範囲を満たすということは、すなわち、好適な大きさの空孔が電極触媒層内に均一に存在することを意味する。したがって、このような空孔構造を有する電極触媒層が配された膜電極接合体は、優れた発電性能を発揮する。   Satisfying these two numerical ranges means that pores of a suitable size are uniformly present in the electrocatalyst layer. Therefore, the membrane electrode assembly in which the electrode catalyst layer having such a pore structure is arranged exhibits excellent power generation performance.

また、上記の水銀圧入法による空孔分布において、最頻空孔径のピークの半値幅が0.025μm以下であると好ましい。なお、以下において、「最頻空孔径のピークの半値幅」を、単に「半値幅」とも表す。半値幅は、より好ましくは0.021μm以下であり、さらに好ましくは0.020μm以下である。半値幅が0.025μm以下であると、電極触媒層において空孔が均一に存在するので、アイオノマーネットワークが良好に形成され、保水性が向上する。半値幅は、理論的には0を超える値であって、小さい値ほど好ましいが、現実的に製造可能な限界を考慮すると、好ましくは0.010μm以上である。   Moreover, in the hole distribution by the mercury intrusion method, the half-value width of the peak of the most frequent hole diameter is preferably 0.025 μm or less. In the following, the “half-value width of the peak of the most frequent pore diameter” is also simply referred to as “half-value width”. The full width at half maximum is more preferably 0.021 μm or less, and further preferably 0.020 μm or less. When the half-value width is 0.025 μm or less, since the pores are uniformly present in the electrode catalyst layer, an ionomer network is well formed and water retention is improved. The half-value width is theoretically a value exceeding 0 and is preferably as small as possible. However, in consideration of a practically manufacturable limit, it is preferably 0.010 μm or more.

さらに、上記空孔構造において、空孔直径が0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.30〜0.50cm−1であると好ましい。なお、以下において、「空孔直径が0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積」を、単に「全空孔容積」とも表す。全空孔容積はより好ましくは0.35〜0.49cm−1であり、さらに好ましくは0.38〜0.48cm−1である。全空孔容積が0.30〜0.50cm−1であると、発電に好ましい形態の空孔が触媒層内に十分存在し、発電性能が向上する。全空孔容積が0.30cm−1以下であると、空孔数が少なく発電性能が低下する虞がある。また、全空孔容積が0.50cm−1以上であると、空孔数は十分なものの、空隙部位が多く触媒層の強度が低下する虞がある。 Further, in the above hole structure, the total hole volume in the range of the hole diameter of 0.01 to 0.50 μm is preferably 0.30 to 0.50 cm 3 g −1 . In the following, “the total pore volume in which the pore diameter is in the range of 0.01 to 0.50 μm” is also simply referred to as “total pore volume”. The total pore volume is more preferably 0.35 to 0.49 cm 3 g −1 , further preferably 0.38 to 0.48 cm 3 g −1 . When the total pore volume is 0.30 to 0.50 cm 3 g −1 , pores in a form preferable for power generation are sufficiently present in the catalyst layer, and the power generation performance is improved. If the total pore volume is 0.30 cm 3 g −1 or less, the number of pores is small and the power generation performance may be reduced. Further, when the total pore volume is 0.50 cm 3 g −1 or more, the number of pores is sufficient, but there are many voids and the strength of the catalyst layer may be lowered.

本発明の膜電極接合体は、上記空孔構造をアノード側またはカソード触媒層の少なくとも一部に有していればよい。言い換えると、電極触媒層において、上述した数値範囲を満たす空孔構造を有する領域に加えて、上述した数値範囲を満たさない空孔構造を有する領域が存在してもよい。この際、空孔構造の空孔分布の評価には、膜電極接合体に用いられるアノード側またはカソード触媒層の全体積を基準にして、20体積%以上の領域を有する電極触媒層を評価用サンプルとして用いる。つまり、アノードまたはカソード触媒層からランダムに選択された評価用サンプルのうち、少なくとも一つの評価サンプルが、上述した数値範囲を満たす空孔構造を有すればよい。また、本発明に係る空孔構造を有する領域が占める割合は、アノードまたはカソード触媒層の全体積を基準にして、好ましくは30〜100体積%であり、より好ましくは40〜100体積%であり、さらに好ましくは50〜100体積%であり、特に好ましくは60〜100体積%であり、最も好ましくは100体積%(全体)である。上記空孔構造をアノードまたはカソード触媒層の少なくとも一部に有していれば、低加湿条件下においても、優れた発電性能を発揮できるが、上記空孔構造が存在する領域が増大すると、当該作用効果は一層高まる。   The membrane / electrode assembly of the present invention may have the above-described pore structure on at least a part of the anode side or the cathode catalyst layer. In other words, in the electrode catalyst layer, there may be a region having a pore structure that does not satisfy the above numerical range in addition to a region having a pore structure that satisfies the above numerical range. At this time, for evaluation of the pore distribution of the pore structure, an electrode catalyst layer having a region of 20% by volume or more is used for evaluation based on the total volume of the anode side or cathode catalyst layer used in the membrane electrode assembly. Used as a sample. That is, it is only necessary that at least one evaluation sample out of the evaluation samples randomly selected from the anode or cathode catalyst layer has a pore structure that satisfies the above numerical range. Further, the ratio of the region having the pore structure according to the present invention is preferably 30 to 100% by volume, more preferably 40 to 100% by volume, based on the total volume of the anode or cathode catalyst layer. Further, it is preferably 50 to 100% by volume, particularly preferably 60 to 100% by volume, and most preferably 100% by volume (whole). If the pore structure is present in at least a part of the anode or cathode catalyst layer, excellent power generation performance can be exhibited even under low humidification conditions. However, if the region where the pore structure exists increases, The effect is further enhanced.

なかでも、アノード触媒層はカソード触媒層と比較して、燃料ガスの酸化反応に伴うプロトンの移動と同時に起こる水分子の移動のために、比較的低加湿条件になり易い。そこで、本発明の膜電極接合体は、上記空孔構造をアノード触媒層の少なくとも一部に有していると好ましい。上記空孔構造をアノード触媒層の少なくとも一部に有していると、低加湿の燃料ガスが供給されても、優れた発電性能を発揮できる。   In particular, the anode catalyst layer is likely to be in a relatively low humidification condition as compared with the cathode catalyst layer due to the movement of water molecules that occurs simultaneously with the movement of protons accompanying the oxidation reaction of the fuel gas. Therefore, the membrane / electrode assembly of the present invention preferably has the above-described pore structure in at least a part of the anode catalyst layer. When the pore structure is included in at least a part of the anode catalyst layer, excellent power generation performance can be exhibited even when low-humidified fuel gas is supplied.

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

固体高分子電解質膜の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知の高分子電解質からなる膜が適宜採用できる。固体高分子電解質膜は、構成材料である高分子電解質の種類に応じて、フッ素系固体高分子電解質膜と炭化水素系固体高分子電解質膜とに大別される。   The specific configuration of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and a membrane made of a polymer electrolyte that is conventionally known in the technical field of fuel cells can be appropriately employed. Solid polymer electrolyte membranes are roughly classified into fluorine-based solid polymer electrolyte membranes and hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membranes according to the type of polymer electrolyte that is a constituent material.

フッ素系固体高分子電解質膜を構成する高分子電解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系固体高分子電解質膜が好ましく用いられ、より好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系固体高分子電解質膜が用いられる。   Examples of the polymer electrolyte constituting the fluorine-based solid polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Such as perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride -Perfluorocarbon sulfonic acid type polymer etc. are mentioned. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based solid polymer electrolyte membranes are preferably used, and more preferably fluorine-based solid polymer electrolyte membranes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. Is used.

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

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

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

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

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

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

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

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

上記電極触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒および高分子電解質を含む。   The electrode catalyst layer includes an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte.

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

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

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

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

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

電極触媒における導電性担体と触媒成分との含有量の比は、特に制限されない。ただし、触媒成分の含有率(担持量)は、電極触媒の全質量に対して、好ましくは5〜70質量%であり、より好ましくは10〜60質量%であり、さらに好ましくは30〜55質量%である。触媒成分の含有率が5質量%以上であると、電極触媒の触媒性能が充分に発揮され、ひいては固体高分子形燃料電池の発電性能の向上に寄与する。一方、触媒成分の含有率が70質量%以下であると、導電性担体の表面における触媒成分どうしの凝集が抑制され、触媒成分が高分散状態で担持されるため、好ましい。なお、上述した含有量の比の値としては、ICP発光分析法により測定される値を採用するものとする。   The ratio of the content of the conductive support and the catalyst component in the electrode catalyst is not particularly limited. However, the content (supported amount) of the catalyst component is preferably 5 to 70% by mass, more preferably 10 to 60% by mass, and further preferably 30 to 55% by mass with respect to the total mass of the electrode catalyst. %. When the content of the catalyst component is 5% by mass or more, the catalyst performance of the electrode catalyst is sufficiently exerted, which contributes to the improvement of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell. On the other hand, the catalyst component content of 70% by mass or less is preferable because aggregation of the catalyst components on the surface of the conductive support is suppressed and the catalyst components are supported in a highly dispersed state. In addition, as a value of the ratio of content mentioned above, the value measured by ICP emission spectrometry shall be employ | adopted.

(高分子電解質)
高分子電解質は、電極触媒層のプロトン伝導性を向上させる機能を有する。電極触媒層に含まれる高分子電解質の具体的な形態に特に制限はなく、燃料電池の技術分野において従来公知の知見が適宜参照できる。例えば、電極触媒層に含まれる高分子電解質としては、上述した固体高分子電解質膜を構成する高分子電解質を同様に用いることができる。そのため、高分子電解質の具体的な形態の詳細はここでは省略する。なお、電極触媒層に含まれる高分子電解質は、1種単独であってもよいし、2種以上であってもよい。
(Polymer electrolyte)
The polymer electrolyte has a function of improving the proton conductivity of the electrode catalyst layer. There is no restriction | limiting in particular in the specific form of the polymer electrolyte contained in an electrode catalyst layer, The conventionally well-known knowledge can be referred suitably in the technical field of a fuel cell. For example, as the polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer, the polymer electrolyte constituting the solid polymer electrolyte membrane described above can be similarly used. Therefore, details of the specific form of the polymer electrolyte are omitted here. The polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer may be one kind alone or two or more kinds.

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

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

[膜電極接合体の製造方法]
本発明の膜電極接合体の製造方法は特に制限されず、膜電極接合体の製造分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造できる。以下、本発明の膜電極接合体の製造方法を簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。
[Production method of membrane electrode assembly]
The manufacturing method of the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited, and can be manufactured by appropriately referring to conventionally known knowledge in the field of manufacturing membrane electrode assemblies. Hereinafter, although the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention is demonstrated easily, the technical scope of this invention should be defined based on description of a claim, and is not restrict | limited only to the following forms.

本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面にアノード側およびカソード側の電極触媒層を形成し、これをガス拡散層で挟持することにより製造できる。電極触媒層は、上記のような電極触媒、高分子電解質および溶媒などからなる触媒インクを、固体高分子電解質膜にスプレー法、転写法などの従来公知の方法を用いて塗布することにより製造できる。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be produced by forming anode-side and cathode-side electrode catalyst layers on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and sandwiching them between gas diffusion layers. The electrode catalyst layer can be produced by applying a catalyst ink comprising the above electrode catalyst, polymer electrolyte and solvent to the solid polymer electrolyte membrane using a conventionally known method such as a spray method or a transfer method. .

電極触媒は、導電性担体に触媒成分を担持させることによって調製する。導電性担体に触媒成分を担持させるには、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル法(マイクロエマルジョン法)などの従来公知の方法を用いて行えばよい。また、市販されている電極触媒を用いてもよい。   The electrode catalyst is prepared by supporting a catalyst component on a conductive carrier. In order to support the catalyst component on the conductive carrier, a conventionally known method such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle method (microemulsion method) is used. You can use it. Moreover, you may use the electrode catalyst marketed.

溶媒としては、特に制限されず、電極触媒層を形成するのに使用される通常の溶媒が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノール(EtOH)や1−プロパノール(NPA)、2−プロパノールなどの低級アルコールが使用できる。溶媒の使用量も、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。触媒インクに含まれる電極触媒の量は、所望の作用、すなわち、アノード側での水素の酸化反応またはカソード側での酸素の還元反応を触媒する作用を十分発揮できる量であれば、特に制限されない。触媒インク中の電極触媒の量は、好ましくは3〜30質量%、より好ましくは5〜20質量%である。高分子電解質もまた、電極触媒と同様の量/割合で存在することが好ましい。   It does not restrict | limit especially as a solvent, The normal solvent used in forming an electrode catalyst layer can be used similarly. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol (EtOH), 1-propanol (NPA), and 2-propanol can be used. The amount of the solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. The amount of the electrocatalyst contained in the catalyst ink is not particularly limited as long as the amount can sufficiently exhibit a desired action, that is, an action of catalyzing an oxidation reaction of hydrogen on the anode side or an oxygen reduction reaction on the cathode side. . The amount of the electrode catalyst in the catalyst ink is preferably 3 to 30% by mass, more preferably 5 to 20% by mass. The polymer electrolyte is also preferably present in the same amount / ratio as the electrode catalyst.

また、触媒インクを転写法によって塗布する場合などには、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。これらのうち、プロピレングリコール(PG)が好ましく使用される。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜40質量%である。   Further, when the catalyst ink is applied by a transfer method, a thickener may be included. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). Of these, propylene glycol (PG) is preferably used. The amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 40 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

触媒インクは、上記の電極触媒、高分子電解質および溶媒などを混合、分散することによって調製できる。高分子電解質は、予め上記の溶媒中に分散された高分子電解質分散液として用いてもよい。前記触媒インクを調製する際に、攪拌時間などを調整することにより導電性担体の分散性を調整してもよい。これにより、得られる電極触媒層における空孔径、空隙率や面抵抗値などを調整できる。攪拌手段としては、ホモジナイザ、超音波分散装置、サンドミル、ジェットミル、ビーズミルなどの従来公知の手段が挙げられる。この際、上述したような空孔構造を得るための、触媒インク中の触媒成分粒子の平均体積粒子径(二次粒子径)は、一般的には0.1〜1.6μmであり、好ましくは0.2〜1.3μmであり、より好ましくは0.3〜1.1μmである。なお、ここでいう平均体積粒子径は、レーザー回折・散乱式の粒度分布測定装置で得られた値を採用する。   The catalyst ink can be prepared by mixing and dispersing the above electrode catalyst, polymer electrolyte, solvent and the like. The polymer electrolyte may be used as a polymer electrolyte dispersion previously dispersed in the above solvent. When preparing the catalyst ink, the dispersibility of the conductive carrier may be adjusted by adjusting the stirring time and the like. Thereby, the hole diameter, porosity, surface resistance value, etc. in the obtained electrode catalyst layer can be adjusted. Examples of the agitation means include conventionally known means such as a homogenizer, an ultrasonic dispersion device, a sand mill, a jet mill, and a bead mill. At this time, the average volume particle diameter (secondary particle diameter) of the catalyst component particles in the catalyst ink for obtaining the pore structure as described above is generally 0.1 to 1.6 μm, preferably Is 0.2 to 1.3 μm, more preferably 0.3 to 1.1 μm. In addition, the value obtained with the laser diffraction and scattering type particle size distribution measuring apparatus is employ | adopted for an average volume particle diameter here.

電極触媒層の形成には、従来公知の方法を用いることができる。例えば、固体高分子電解質膜に直接塗布、乾燥する方法、または触媒インクを基材(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート)上に塗布、乾燥して電極触媒層を形成し、これを固体高分子電解質膜に転写する方法などがある。また、ガス拡散層の片方の面に電極触媒層を形成してもよい。塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ダイコーター法など従来公知の方法を用いることができる。なかでも、上記の空孔構造を形成するためには、スプレー法を用いて塗布することが好ましい。固体高分子電解質膜とで触媒インクの塗布量は、電極触媒が電気化学反応を触媒する作用を十分発揮できる量であれば特に制限されないが、単位面積あたりの触媒成分の質量が0.05〜1mg/cmとなるように塗布することが好ましい。また、塗布する触媒インクの厚さは、乾燥後に5〜30μmとなるように塗布することが好ましい。なお、上記の触媒インクの塗布量および厚さは、アノード側およびカソード側で同じである必要はなく、適宜調整することができる。 A conventionally well-known method can be used for formation of an electrode catalyst layer. For example, a method of directly applying to a solid polymer electrolyte membrane and drying, or applying a catalyst ink on a substrate (for example, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet) and drying to form an electrode catalyst layer, which is then solidified There is a method of transferring to a polymer electrolyte membrane. An electrode catalyst layer may be formed on one side of the gas diffusion layer. As a coating method, a conventionally known method such as a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, or a die coater method can be used. Especially, in order to form said void | hole structure, it is preferable to apply | coat using a spray method. The coating amount of the catalyst ink with the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as the electrode catalyst can sufficiently exert the action of catalyzing the electrochemical reaction, but the mass of the catalyst component per unit area is 0.05 to It is preferable to apply so as to be 1 mg / cm 2 . Moreover, it is preferable to apply | coat so that the thickness of the catalyst ink to apply | coat may be 5-30 micrometers after drying. The application amount and thickness of the catalyst ink need not be the same on the anode side and the cathode side, and can be adjusted as appropriate.

本発明の膜電極接合体は、ガス拡散層をさらに有する。膜電極接合体の形成には、従来公知の方法を用いることができる。例えば、固体高分子電解質膜上に形成された電極触媒層を一対のガス拡散層で挟持させて、これを接合することによって膜電極接合体が製造できる。またはガス拡散層の片面に電極触媒層を形成し、電極触媒層が対向するように1対のガス拡散層で固体高分子電解質膜を挟持させて、これを接合することによって製造してもよい。   The membrane electrode assembly of the present invention further has a gas diffusion layer. A conventionally known method can be used for forming the membrane electrode assembly. For example, a membrane electrode assembly can be produced by sandwiching an electrode catalyst layer formed on a solid polymer electrolyte membrane between a pair of gas diffusion layers and bonding them. Alternatively, it may be produced by forming an electrode catalyst layer on one side of the gas diffusion layer, sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between the pair of gas diffusion layers so that the electrode catalyst layers face each other, and bonding them. .

[燃料電池]
本発明の燃料電池は、本発明の膜電極接合体と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。
[Fuel cell]
The fuel cell of the present invention comprises a pair of membrane electrode assemblies of the present invention, a pair of anode side separators having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. And a separator.

図3は、本発明の燃料電池の一実施形態である、固体高分子形燃料電池(PEFC)の一般的な全体構造を模式的に表した断面外略図である。なお、図3には固体高分子形燃料電池の単セルが図示されている。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) which is an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 3 shows a single cell of a polymer electrolyte fuel cell.

図3に示す固体高分子形燃料電池200は、本発明の膜電極接合体100を有する。そして、固体高分子形燃料電池200において、膜電極接合体100は、アノード側セパレータ150aおよびカソード側セパレータ150cからなる1対のセパレータにより挟持されている。ここで、アノード側セパレータ150aのアノード側ガス拡散層140a側表面には、運転時に燃料ガスが流通する燃料ガス流路152aが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。一方、カソード側セパレータ150cのカソード側ガス拡散層140c側の表面には、運転時に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路152cが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。そして、固体高分子形燃料電池200の周囲には、1対のガス拡散電極を包囲するように、ガスケット160が配置されている。   A polymer electrolyte fuel cell 200 shown in FIG. 3 has the membrane electrode assembly 100 of the present invention. In the polymer electrolyte fuel cell 200, the membrane electrode assembly 100 is sandwiched between a pair of separators including an anode side separator 150a and a cathode side separator 150c. Here, the anode side gas diffusion layer 140a side surface of the anode side separator 150a is provided with a fuel gas flow path 152a through which fuel gas flows during operation, and the coolant flows through the opposite surface during operation. A cooling flow path (not shown) is provided. On the other hand, an oxidant gas flow path 152c through which an oxidant gas flows during operation is provided on the cathode side gas diffusion layer 140c side surface of the cathode side separator 150c, and a coolant is provided on the opposite side surface during operation. A cooling flow path (not shown) through which is circulated is provided. A gasket 160 is disposed around the polymer electrolyte fuel cell 200 so as to surround the pair of gas diffusion electrodes.

上記のような、本発明の膜電極接合体を有する燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。   The fuel cell having the membrane electrode assembly of the present invention as described above exhibits excellent power generation performance.

以下、本発明の燃料電池を構成する部材について簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   Hereinafter, although the member which comprises the fuel cell of this invention is demonstrated easily, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

(セパレータ)
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。そのため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられている。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(Separator)
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. Therefore, as described above, each separator is provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

(ガスケット)
ガスケットは、1対の電極触媒層およびガス拡散層を包囲するように燃料電池の周囲に配置され、触媒層に供給されたガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。ガス拡散電極とは、ガス拡散層および電極触媒層の接合体をいう。ガスケットを構成する材料としては、特に制限はないが、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴムなどのゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステルなどの熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスケットの厚さにも特に制限はなく、好ましくは50μm〜2mmであり、より好ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。
(gasket)
The gasket is disposed around the fuel cell so as to surround the pair of electrode catalyst layers and the gas diffusion layer, and has a function of preventing the gas supplied to the catalyst layer from leaking to the outside. A gas diffusion electrode refers to a joined body of a gas diffusion layer and an electrode catalyst layer. The material constituting the gasket is not particularly limited, but rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), Examples thereof include fluorine polymer materials such as polyhexafluoropropylene and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also in the thickness of a gasket, Preferably it is 50 micrometers-2 mm, More preferably, what is necessary is just to be about 100 micrometers-1 mm.

[燃料電池の運転方法]
さらに、本発明は、上記燃料電池の運転方法を提供する。上述したように、本発明に係る電極触媒層は、アイオノマーネットワークが良好に形成され、保水性が高い。よって、この電極触媒層を有する本発明の燃料電池は、特に、低加湿条件下において、優れた発電性能を有する。そこで、上記空孔構造を有する電極触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスを低加湿条件で供給して燃料電池を運転することによって、本発明の効果がより顕著なものとなる。
[Operating method of fuel cell]
Furthermore, the present invention provides a method for operating the fuel cell. As described above, the electrode catalyst layer according to the present invention has a good ionomer network and high water retention. Therefore, the fuel cell of the present invention having this electrode catalyst layer has excellent power generation performance, particularly under low humidification conditions. Therefore, the effect of the present invention becomes more remarkable by operating the fuel cell by supplying fuel gas or oxidant gas to the electrode catalyst layer having the pore structure under low humidification conditions.

本発明の燃料電池の運転方法は、アノード触媒層の少なくとも一部が上記空孔構造を有する場合に、燃料ガスを相対湿度70%未満の条件で供給し、カソード触媒層の少なくとも一部が上記空孔構造を有する場合に、酸化剤ガスを相対湿度70%未満の条件で供給することを特徴とする。燃料ガスまたは酸化剤ガスの相対湿度は、好ましくは65%以下、より好ましくは60%以下、さらに好ましくは55%以下、特に好ましくは50%以下、最も好ましくは40%以下である。燃料ガスまたは酸化剤ガスの相対湿度が70%未満であれば、本発明の燃料電池の発電性能は、従来の燃料電池と比較してより向上する。なお、燃料ガスまたは酸化剤ガスの相対湿度は、ガス流路のセルへの入り口付近における相対湿度とする。   In the fuel cell operating method of the present invention, when at least a part of the anode catalyst layer has the above-described pore structure, the fuel gas is supplied under a condition of a relative humidity of less than 70%, and at least a part of the cathode catalyst layer is the above. In the case of having a pore structure, the oxidizing gas is supplied under conditions of a relative humidity of less than 70%. The relative humidity of the fuel gas or oxidant gas is preferably 65% or less, more preferably 60% or less, still more preferably 55% or less, particularly preferably 50% or less, and most preferably 40% or less. When the relative humidity of the fuel gas or the oxidant gas is less than 70%, the power generation performance of the fuel cell of the present invention is further improved as compared with the conventional fuel cell. The relative humidity of the fuel gas or oxidant gas is the relative humidity in the vicinity of the entrance to the cell of the gas flow path.

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

この運転方法のうち、好ましくは、アノード触媒層の少なくとも一部が上記空孔構造を有し、前記燃料ガスを相対湿度70%未満の条件で供給する。アノード触媒層は、カソード側と比較して低加湿条件になり易いため、このような運転方法によると、本発明の燃料電池の発電性能がさらに向上する。   Of this operation method, preferably, at least a part of the anode catalyst layer has the above-described pore structure, and the fuel gas is supplied under a condition of a relative humidity of less than 70%. Since the anode catalyst layer is likely to be in a low humidification condition as compared with the cathode side, the power generation performance of the fuel cell of the present invention is further improved by such an operation method.

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

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

以下の実施例および比較例では、カソード触媒層の最頻空孔直径および半値幅/ピーク高さ、半値幅、ならびに全空孔容積を変えて膜電極接合体を作製し、この膜電極接合体を配した固体高分子形燃料電池単セルの発電性能を評価した。   In the following Examples and Comparative Examples, membrane electrode assemblies were prepared by changing the mode pore diameter and the half-value width / peak height, half-value width, and total pore volume of the cathode catalyst layer. The power generation performance of a single polymer electrolyte fuel cell unit was evaluated.

具体的には、実施例1〜6および比較例1〜4の膜電極接合体を、下記のようにして作製した。   Specifically, the membrane electrode assemblies of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 were produced as follows.

[膜電極接合体の作製]
(カソード用触媒インクの調製)
<実施例1および5>
導電性担体としてのカーボンブラックに白金を触媒成分として担持した触媒担持体(白金含有率46質量%)7g、高分子電解質分散液(イオン交換容量1.0ミリmol/g、電解質含有率22質量%、1−プロパノール含有率42質量%、イオン交換水含有率36質量%)16g、イオン交換水78g、1−プロパノール49gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径1.01μm)を得た。
[Production of membrane electrode assembly]
(Preparation of cathode catalyst ink)
<Examples 1 and 5>
7 g of a catalyst carrier (platinum content: 46% by mass) in which platinum is supported as a catalyst component on carbon black as a conductive carrier, a polymer electrolyte dispersion (ion exchange capacity: 1.0 mmol / g, electrolyte content: 22 mass) %, 1-propanol content 42 mass%, ion-exchange water content 36 mass%) 16 g, ion-exchange water 78 g, and 1-propanol 49 g are mixed and dispersed for 10 minutes using a sand mill. Ink (average volume particle diameter of catalyst particles 1.01 μm) was obtained.

<実施例2>
サンドミルを用いて30分間混合分散した以外は、実施例1と同様の手法で、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.53μm)を得た。
<Example 2>
Except for mixing and dispersing for 30 minutes using a sand mill, a catalyst ink for cathode (average volume particle diameter of catalyst particles 0.53 μm) was obtained in the same manner as in Example 1.

<実施例3>
サンドミルを用いて120分間混合分散した以外は、実施例1と同様の手法で、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.39μm)を得た。
<Example 3>
Cathode catalyst ink (average particle diameter of catalyst particles: 0.39 μm) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixture was dispersed for 120 minutes using a sand mill.

<実施例4>
実施例1と同様の触媒担持体7g、高分子電解質分散液(イオン交換容量1.0ミリmol/g、電解質含有率12質量%、イオン交換水含有率88質量%)30g、イオン交換水57g、エタノール56gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.49μm)を得た。
<Example 4>
7 g of catalyst support similar to that of Example 1, 30 g of polymer electrolyte dispersion (ion exchange capacity 1.0 mmol / g, electrolyte content 12 mass%, ion exchange water content 88 mass%), ion exchange water 57 g Then, 56 g of ethanol was mixed, and mixed and dispersed for 30 minutes using a sand mill, to obtain a catalyst ink for cathode (average volume particle diameter of catalyst particles: 0.49 μm).

<実施例6>
実施例1と同様の触媒担持体13g、実施例1と同様の高分子電解質分散液27g、イオン交換水71g、1−プロパノール43gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径1.00μm)を得た。
<Example 6>
By mixing 13 g of the same catalyst carrier as in Example 1, 27 g of the polymer electrolyte dispersion liquid as in Example 1, 71 g of ion-exchanged water and 43 g of 1-propanol, and mixing and dispersing for 10 minutes using a sand mill, Catalyst ink (average volume particle diameter of catalyst particles 1.00 μm) was obtained.

<比較例1>
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液37g、イオン交換水51g、プロピレングリコール49gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.82μm)を得た。
<Comparative Example 1>
16 g of the catalyst support similar to that of Example 1, 37 g of the polymer electrolyte dispersion similar to that of Example 1, 51 g of ion-exchanged water, and 49 g of propylene glycol were mixed and dispersed for 10 minutes using a sand mill. Catalyst ink (average particle diameter of catalyst particles 0.82 μm) was obtained.

<比較例2>
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例4と同様の高分子電解質分散液70g、イオン交換水3g、エタノール16g、プロピレングリコール49gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径1.40μm)を得た。
<Comparative example 2>
By mixing 16 g of the same catalyst carrier as in Example 1, 70 g of the same polymer electrolyte dispersion as in Example 4, 3 g of ion exchange water, 16 g of ethanol, and 49 g of propylene glycol, and mixing and dispersing for 10 minutes using a sand mill. Thus, a cathode catalyst ink (average particle diameter of catalyst particles: 1.40 μm) was obtained.

<比較例3>
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液37g、イオン交換水33g、プロピレングリコール63gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.79μm)を得た。
<Comparative Example 3>
A catalyst carrier 16g similar to that of Example 1, 37g of a polymer electrolyte dispersion similar to that of Example 1, 33g of ion-exchanged water, and 63g of propylene glycol were mixed, and mixed and dispersed for 10 minutes using a sand mill. Catalyst ink (average particle diameter of catalyst particles 0.79 μm) was obtained.

<比較例4>
実施例1と同様の触媒担持体10g、実施例1と同様の高分子電解質分散液37g、イオン交換水67g、1−プロパノール38gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径1.13μm)を得た。
<Comparative example 4>
By mixing 10 g of the same catalyst carrier as in Example 1, 37 g of the same polymer electrolyte dispersion as in Example 1, 67 g of ion-exchanged water, and 38 g of 1-propanol, and mixing and dispersing for 10 minutes using a sand mill, Catalyst ink (average volume particle diameter of catalyst particles 1.13 μm) was obtained.

(アノード用触媒インクの調製)
導電性担体としてのカーボンブラックに、白金を触媒成分として担持した触媒担持体(白金含有率46質量%)5g、高分子電解質分散液(イオン交換容量1.0ミリmol/g、電解質含有率22質量%、1−プロパノール含有率42質量%、イオン交換水含有率36質量%)11g、イオン交換水81g、1−プロパノール52gを混合し、サンドミルを用いて5分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径1.60μm)を得た。
(Preparation of catalyst ink for anode)
5 g of a catalyst carrier (platinum content: 46% by mass) in which platinum is supported as a catalyst component on carbon black as a conductive carrier, a polymer electrolyte dispersion (ion exchange capacity: 1.0 mmol / g, electrolyte content: 22) Mass%, 1-propanol content 42 mass%, ion exchange water content 36 mass%) 11 g, ion exchange water 81 g, 1-propanol 52 g are mixed and dispersed for 5 minutes using a sand mill. Catalyst ink (average particle diameter of catalyst particles 1.60 μm) was obtained.

(電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体の作製)
<実施例1〜4>
80mm四方の正方形で厚さ25μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製、NAFION NRE−211)を用意した。この固体高分子電解質膜の片面にカソード用触媒インクを0.3mg−Pt/cmとなるように、スプレーコーティングにより塗布後、乾燥した。もう一方の面にアノード用触媒インクを0.1mg−Pt/cmとなるように、スプレーコーティングにより塗布後、乾燥し、電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を得た。
(Production of electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly)
<Examples 1-4>
A solid polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont, NAFION NRE-211) having a square of 80 mm square and a thickness of 25 μm was prepared. The cathode catalyst ink was applied to one side of the solid polymer electrolyte membrane by spray coating so as to be 0.3 mg-Pt / cm 2 and then dried. On the other side, the anode catalyst ink was applied by spray coating so as to be 0.1 mg-Pt / cm 2 and then dried to obtain an electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly.

<実施例5および6ならびに比較例1〜4>
80mm四方の正方形で厚さ80μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シートを2枚用意した。このPTFE製シートの片面にカソード用触媒インクを0.3mg−Pt/cmとなるようにスクリーンプリンターを用いて塗布後、乾燥した。もう1枚のPTFE製シートの片面にアノード用触媒インクを0.1mg−Pt/cmとなるように、スクリーンプリンターを用いて塗布後、乾燥した。
<Examples 5 and 6 and Comparative Examples 1-4>
Two sheets of polytetrafluoroethylene (PTFE) 80 mm square and 80 μm thick were prepared. The cathode catalyst ink was applied to one side of the PTFE sheet using a screen printer so as to be 0.3 mg-Pt / cm 2 and then dried. The anode catalyst ink was applied to one side of another PTFE sheet using a screen printer so as to be 0.1 mg-Pt / cm 2, and then dried.

80mm四方の正方形で厚さ25μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製、NAFION NRE−211)を用意した。この固体高分子電解質膜を挟んで、上記でアノード用電極触媒層を形成したPTFE製シートおよびカソード用電極触媒層を形成したPTFE製シートを両電極触媒層が対向するように重ねた。さらに80mm四方の正方形で厚さ0.5mmのステンレススチール製板2枚で挟み、PTFE製シートを0.8MPaの圧力で、130℃で、10分間ホットプレスした。冷却後PTFE製シートのみを剥がすことで電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を得た。   A solid polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont, NAFION NRE-211) having a square of 80 mm square and a thickness of 25 μm was prepared. The PTFE sheet on which the anode electrode catalyst layer was formed and the PTFE sheet on which the cathode electrode catalyst layer was formed were overlapped with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween so that both electrode catalyst layers were opposed to each other. Further, it was sandwiched between two stainless steel plates each having a square of 80 mm and a thickness of 0.5 mm, and a PTFE sheet was hot pressed at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 0.8 MPa. After cooling, only the PTFE sheet was peeled to obtain an electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly.

(評価用燃料電池単セルの作製)
上記で作製した電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を挟むように、2枚のガス拡散層(SGLカーボン社製、GDL25BC)をガス拡散層のカーボン粒子層が対向するように重ねて膜電極接合体とした。これを2枚のグラファイト製セパレータ、2枚の金メッキしたステンレススチール製集電板、2枚のステンレススチール製エンドプレートの順序で挟持し、評価用燃料電池単セルとした。
(Preparation of single fuel cell for evaluation)
Two gas diffusion layers (SGL Carbon, GDL25BC) are stacked so that the carbon particle layers of the gas diffusion layers face each other so as to sandwich the electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly produced above. An electrode assembly was obtained. This was sandwiched in the order of two graphite separators, two gold-plated stainless steel current collector plates, and two stainless steel end plates to form a single fuel cell for evaluation.

[電極触媒層の空孔構造の評価]
カソード用触媒インクを固体高分子電解質膜の両面に0.3mg−Pt/cmになるように塗布した。それ以外は、上記の電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体の作製と同様の方法で、実施例1〜6および比較例1〜4の電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を作製した。得られた電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を20cmに切り出し、これをセル容積約6cc、ステム容積約0.39ccの測定用セル内に導入した。この測定用セルをオートポアIV 9510型(マイクロメリティクス製)にセットして水銀圧入量の測定を実施し、空孔直径が400μm〜3nmの範囲の、積算空孔容積(cm/g−Pt)、およびログ微分空孔容積(cm/g−Pt)を得た。
[Evaluation of pore structure of electrode catalyst layer]
Cathode catalyst ink was applied to both sides of the solid polymer electrolyte membrane so as to be 0.3 mg-Pt / cm 2 . Otherwise, the electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 was produced in the same manner as the production of the electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly. did. The obtained electrode catalyst layer-solid polymer electrolyte membrane assembly was cut into 20 cm 2 and introduced into a measuring cell having a cell volume of about 6 cc and a stem volume of about 0.39 cc. This measurement cell was set in Autopore IV 9510 type (manufactured by Micromeritics), and the mercury intrusion amount was measured, and the accumulated pore volume (cm 3 / g-Pt) having a pore diameter in the range of 400 μm to 3 nm. ) And log differential pore volume (cm 3 / g-Pt).

[電解質抵抗値の測定]
周波数応答解析器(Frequency Response Analyzer;FRA)に接続した電位・電流を制御するポテンシオ・ガルバノスタットを用い、電気化学的な交流インピーダンス測定により電解質抵抗値を算出した。FRAは正弦波発信回路を内蔵し、変調周波数を自動走査してインピーダンスのスペクトルを決める。FRAから正弦波信号をポテンシオ・ガルバノスタットに送り、ポテンシオ・ガルバノスタットが正弦波電位変調をセルに与えて、応答電流を測定する。変調電位と変調電流はポテンシオ・ガルバノスタットからFRAに出力され、各周波数でのインピーダンスが決定される。ここで測定条件を、印加電位450mV、電位振幅10mV、周波数範囲100mHz〜15kHzとした。
[Measurement of electrolyte resistance]
The electrolyte resistance value was calculated by electrochemical AC impedance measurement using a potentio galvanostat that controls the potential and current connected to a frequency response analyzer (FRA). The FRA has a built-in sine wave transmission circuit and automatically scans the modulation frequency to determine the impedance spectrum. A sine wave signal is sent from the FRA to the potentio galvanostat, and the potentio galvanostat applies sine wave potential modulation to the cell to measure the response current. The modulation potential and the modulation current are output from the potentio galvanostat to the FRA, and the impedance at each frequency is determined. Here, the measurement conditions were an applied potential of 450 mV, a potential amplitude of 10 mV, and a frequency range of 100 mHz to 15 kHz.

このようにして得られたインピーダンスを複素平面に表示し(ナイキストプロット)、このナイキストプロットから文献(M. Lefebvre et al, Elec. & Solid State Letters,2(6)259−261(1999))記載の手法で電解質抵抗値を算出した。具体的にはナイキストプロットの直線部分と実軸との交点と、プロットの実軸との交点との差を3倍することで触媒層中のアイオノマー抵抗を算出した。
[燃料電池単セルの評価]
燃料電池単セルの温度を80℃、ガス流路のセルへの入り口付近の相対湿度(RH)を40%または70%、常圧下、アノード側から水素を毎分4Lの流量で供給し、カソード側から空気を毎分8Lの流量で供給することにより燃料電池単セルの運転を行った。この条件で、電流密度1A/cmのときの単セル電圧を測定した。結果を表1に示す。
The impedance obtained in this way is displayed on a complex plane (Nyquist plot), and from this Nyquist plot, the literature (M. Lefebvre et al, Elec. & Solid State Letters, 2 (6) 259-261 (1999)) is described. The electrolyte resistance value was calculated by the method. Specifically, the ionomer resistance in the catalyst layer was calculated by multiplying the difference between the intersection of the linear part of the Nyquist plot and the real axis and the intersection of the real axis of the plot by three times.
[Evaluation of single fuel cell]
The temperature of the single cell of the fuel cell is 80 ° C., the relative humidity (RH) near the inlet of the gas flow path cell is 40% or 70%, hydrogen is supplied from the anode side at a flow rate of 4 L / min. The fuel cell single cell was operated by supplying air from the side at a flow rate of 8 L / min. Under this condition, the single cell voltage at a current density of 1 A / cm 2 was measured. The results are shown in Table 1.

Figure 0005298566
Figure 0005298566

表1に示す結果より、最頻空孔径が0.030〜0.050μmの範囲にあり、最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.030μm/(cm3 g−1)以下となる実施例1〜6は、その範囲に最頻空孔径と半値幅/ピーク高さの値を有しない比較例1〜4と比較して、相対湿度40%の際に、高い出力密度を示した。また、さらに半値幅が0.025μm以下である実施例1〜4は、その範囲に半値幅を有しない実施例5〜6と比較して、電解質抵抗値が低く、相対湿度40%の際に、よりいっそう高い出力密度を示した。   From the results shown in Table 1, the mode pore diameter is in the range of 0.030 to 0.050 μm, and the ratio of the half-value width to the peak height of the peak of the mode pore diameter is 0.030 μm / (cm 3 g−1). The following Examples 1 to 6 have a higher output density at a relative humidity of 40% compared to Comparative Examples 1 to 4 that do not have the most frequent pore diameter and half width / peak height values in the range. showed that. Further, in Examples 1 to 4 in which the half width is 0.025 μm or less, the electrolyte resistance value is low and the relative humidity is 40% compared to Examples 5 to 6 that do not have the half width in the range. , Showed even higher power density.

本発明の膜電極接合体の一般的な全体構造を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the general whole structure of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明に係る電極触媒層が有する、一般的な空孔構造の空孔分布を表したグラフである。It is a graph showing the hole distribution of the general hole structure which the electrode catalyst layer which concerns on this invention has. 本発明の燃料電池の一実施形態である、固体高分子形燃料電池の一般的な全体構造を模式的に表した断面外略図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a general overall structure of a polymer electrolyte fuel cell which is an embodiment of a fuel cell of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 膜電極接合体、
110 固体高分子電解質膜、
120a アノード触媒層、
120c カソード触媒層、
140a アノード側ガス拡散層、
140c カソード側ガス拡散層、
150a アノード側セパレータ、
150c カソード側セパレータ、
152a 燃料ガス流路、
152c 酸化剤ガス流路、
160 ガスケット。
100 membrane electrode assembly,
110 solid polymer electrolyte membrane,
120a anode catalyst layer,
120c cathode catalyst layer,
140a anode side gas diffusion layer,
140c cathode side gas diffusion layer,
150a anode side separator,
150c cathode side separator,
152a fuel gas flow path,
152c oxidant gas flow path,
160 gasket.

Claims (9)

導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含むアノード触媒層およびカソード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる膜電極接合体であって、
前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の少なくとも一部、水銀圧入法による空孔分布において(1)空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径が0.030〜0.050μmの範囲に存在し、(2)前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.030μm/(cm−1)以下であり、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.30cm −1 以上である空孔構造を有することを特徴とする、膜電極接合体。
An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer containing a catalyst component supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte are disposed opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and this is a pair of gas diffusions. A membrane electrode assembly sandwiched between layers,
At least a part of the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer has a hole distribution by mercury porosimetry, and (1) a modest hole diameter in the range of 0.01 to 0.10 μm is 0.030 to 0.005. present in the range of 050μm, (2) the half-width ratio of the relative peak heights of the peaks of the most frequent pore diameter 0.030μm / (cm 3 g -1) Ri der hereinafter pore diameter 0.01 A membrane / electrode assembly having a pore structure in which a total pore volume in a range of 0.50 μm is 0.30 cm 3 g −1 or more .
前記最頻空孔径が0.030〜0.045μmの範囲に存在する、請求項1に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the most frequent pore diameter is in the range of 0.030 to 0.045 μm. 前記半値幅が0.025μm以下である、請求項1または2に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the full width at half maximum is 0.025 µm or less. 前記空孔構造において、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.30〜0.50cm−1である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The said void | hole structure WHEREIN: The total void | hole volume of the range of void | hole diameters 0.01-0.50 micrometer is 0.30-0.50cm < 3 > g < -1 >, Any one of Claims 1-3. Membrane electrode assembly. 前記アノード触媒層の少なくとも一部が前記空孔構造を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein at least a part of the anode catalyst layer has the pore structure. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータと、
を有する燃料電池。
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5,
A pair of separators comprising an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows;
A fuel cell.
前記アノード触媒層の少なくとも一部が前記空孔構造を有する場合に、前記燃料ガスを相対湿度70%未満の条件で供給し、
前記カソード触媒層の少なくとも一部が前記空孔構造を有する場合に、前記酸化剤ガスを相対湿度70%未満の条件で供給する、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
When at least a part of the anode catalyst layer has the pore structure, the fuel gas is supplied under a condition of a relative humidity of less than 70%,
The method for operating a fuel cell according to claim 6, wherein the oxidant gas is supplied under a condition of a relative humidity of less than 70% when at least a part of the cathode catalyst layer has the pore structure.
前記アノード触媒層の少なくとも一部が前記空孔構造を有し、前記燃料ガスを相対湿度70%未満の条件で供給する、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。   The method of operating a fuel cell according to claim 6, wherein at least a part of the anode catalyst layer has the pore structure, and the fuel gas is supplied under a condition of a relative humidity of less than 70%. 請求項6に記載の燃料電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the fuel cell according to claim 6.
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