JP5805924B2 - Electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)に関するもの、特に、燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。より詳しくは、本発明は、耐久性に優れた電解質膜−電極接合体に関するもの、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), and more particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell. More specifically, the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly excellent in durability, and particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells.

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の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、ガス拡散層さらにはセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、電解質膜が一対の触媒層により挟持されてなるものである。   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, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. The electrolyte membrane-electrode assembly is formed by sandwiching an electrolyte membrane between a pair of catalyst layers.

上記したようなMEAを有する固体高分子形燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード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)。次に、生成したプロトンは、触媒層に含まれる電解質、さらに触媒層と接触している電解質膜を通り、カソード触媒層に達する。また、アノード触媒層で生成した電子は、触媒層を構成している担体、さらに触媒層の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し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)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、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 MEA as described above, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e ). Next, the generated protons pass through the electrolyte contained in the catalyst layer and the electrolyte membrane in contact with the catalyst layer, and reach the cathode catalyst layer. Further, the electrons generated in the anode catalyst layer reach the cathode catalyst layer through the carrier constituting the catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the catalyst layer that is different from the electrolyte membrane, the separator, and the external circuit. 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). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

しかしながら、燃料電池が水素不足の状態で転極状態に陥った際に、アノード側が高電位になる場合があり、アノード触媒層を構成する担体としてカーボンを含むものを用いる場合、かかるカーボンが腐食するという問題があった。   However, when the fuel cell falls into a reversal state due to a shortage of hydrogen, the anode side may be at a high potential, and when carbon containing carbon is used as the carrier constituting the anode catalyst layer, the carbon corrodes. There was a problem.

かかる問題を解決するためには、アノード触媒層にかかる電位を低く保つ必要があり、電位を低くする一つの方策として水の電気分解反応を促進するという対策がある。そのため、従来においては、ルテニウム、イリジウムの酸化物を添加しているという技術が知られている(特許文献1)。   In order to solve such a problem, it is necessary to keep the potential applied to the anode catalyst layer low, and one measure for lowering the potential is to promote the electrolysis reaction of water. Therefore, conventionally, a technique of adding an oxide of ruthenium or iridium is known (Patent Document 1).

特表2003−508877号公報Special table 2003-508877 gazette

しかしながら、特許文献1の技術においては、カソード触媒層を構成する担体として導電性炭素材料を含むものを用いた場合、かかる導電性炭素材料が腐食されること(以下、単に「カソードカーボン腐食」とも称する)を抑制する対策については特に講じられていない。   However, in the technique of Patent Document 1, when a carrier containing a conductive carbon material is used as a carrier constituting the cathode catalyst layer, the conductive carbon material is corroded (hereinafter, simply referred to as “cathode carbon corrosion”). No particular measures are taken to suppress the above.

よって、本発明は、アノード層に使用される触媒(イリジウム・白金)担持量を調整することにより、カソードカーボン腐食を抑制して耐久性を向上させた発電性能の高い電解質膜−電極接合体を提供することを課題とする。また、かような電解質膜−電極接合体を含む燃料電池を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention provides an electrolyte membrane-electrode assembly with high power generation performance that suppresses cathode carbon corrosion and improves durability by adjusting the amount of catalyst (iridium / platinum) supported in the anode layer. The issue is to provide. Another object of the present invention is to provide a fuel cell including such an electrolyte membrane-electrode assembly.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、導電性炭素材料に担持された一定量以上のイリジウムおよび一定量以下の白金を含むアノード触媒層と、導電性炭素材料に担持された少なくとも白金を含むカソード触媒層と、を有する、電解質膜−電極接合体を提供する。そのことによって、前記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成するに至った。また、かような電解質膜−電極接合体を含む燃料電池を提供することによって、前記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, an electrolyte having an anode catalyst layer containing a certain amount or more of iridium supported on a conductive carbon material and a platinum or less of a certain amount, and a cathode catalyst layer containing at least platinum supported on a conductive carbon material. A membrane-electrode assembly is provided. As a result, the inventors have found that the above problems can be solved, and have completed the present invention. Further, the present inventors have found that the above problem can be solved by providing a fuel cell including such an electrolyte membrane-electrode assembly, and have completed the present invention.

アノード触媒層における単位触媒塗布面積当たり一定量以上のイリジウムが含有されるが、イリジウムは、酸素還元活性が有意に低いため、燃料電池の起動時または水素欠乏が解消された後のカソードカーボン腐食を抑制することができる。   Although a certain amount or more of iridium is contained per unit catalyst coating area in the anode catalyst layer, iridium has a significantly low oxygen reduction activity, so that the cathode carbon corrosion at the start of the fuel cell or after the hydrogen deficiency is eliminated. Can be suppressed.

また、アノード触媒層を構成する触媒成分として、白金が含まれる場合であっても、単位触媒塗布面積当たり一定量以下である(または、白金は、含まれなくてもよい)。そのことによって、酸素還元活性を有意に低く抑え、燃料電池の起動時または水素欠乏が解消された後のカソードカーボン腐食を抑制することができる。   Further, even when platinum is included as a catalyst component constituting the anode catalyst layer, the amount is less than a certain amount per unit catalyst application area (or platinum may not be included). As a result, the oxygen reduction activity can be suppressed significantly low, and the cathode carbon corrosion at the start of the fuel cell or after the hydrogen deficiency is eliminated can be suppressed.

図1は、アノード触媒層を構成する触媒塗布面積あたりに担持されるイリジウムの量に対する、所定の電位における水電解反応量を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the amount of water electrolysis reaction at a predetermined potential with respect to the amount of iridium supported per catalyst application area constituting the anode catalyst layer. 図2は、所定の電位に対する、アノード触媒層を構成する担体としての各導電性炭素材料のカーボン腐食反応量を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the carbon corrosion reaction amount of each conductive carbon material as a carrier constituting the anode catalyst layer with respect to a predetermined potential. 図3は、アノード触媒層を構成する触媒塗布面積あたりに担持されるイリジウムの量に対する100mA/cm印加時のカーボン腐食反応量を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the amount of carbon corrosion reaction when 100 mA / cm 2 is applied to the amount of iridium supported per catalyst application area constituting the anode catalyst layer. 図4は、アノード触媒層を構成する触媒塗布面積あたりに担持されるイリジウムの量に対する100mA/cm印加時のカーボン腐食反応量を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the amount of carbon corrosion reaction when 100 mA / cm 2 is applied to the amount of iridium supported per catalyst application area constituting the anode catalyst layer. 図5は、アノード触媒層を構成する触媒塗布面積あたりに担持されるイリジウムの量に対する200mA/cm印加時のカーボン腐食反応量を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the amount of carbon corrosion reaction when 200 mA / cm 2 is applied to the amount of iridium supported per catalyst application area constituting the anode catalyst layer. 図6は、アノード触媒層を構成する触媒塗布面積あたりに担持されるイリジウムの量に対する100mA/cm印加時のカーボン腐食抑制率を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the carbon corrosion inhibition rate when 100 mA / cm 2 is applied with respect to the amount of iridium supported per catalyst application area constituting the anode catalyst layer. 図7は、アノード触媒層を構成する単位触媒塗布面積あたりに担持される触媒成分としてのイリジウムおよび白金の量に対する発電性能を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the power generation performance with respect to the amounts of iridium and platinum as catalyst components supported per unit catalyst application area constituting the anode catalyst layer. 図8は、触媒塗布面積あたりに担持される触媒成分の量を一定としたときのアノード触媒層の厚みに対する発電性能を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the power generation performance with respect to the thickness of the anode catalyst layer when the amount of the catalyst component carried per catalyst application area is constant. 図9は、アノード触媒層を構成する触媒塗布面積あたりに担持される触媒成分としてのイリジウムの量に対するカーボン使用量あたりのカーボン腐食電流量を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the amount of carbon corrosion current per amount of carbon used with respect to the amount of iridium as a catalyst component supported per catalyst application area constituting the anode catalyst layer. 図10は、アノード触媒層を構成する触媒成分としてのイリジウムおよび白金の触媒塗布面積あたりに担持される触媒成分の量に対する、カソード腐食電位を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the cathodic corrosion potential with respect to the amount of the catalyst component supported per catalyst application area of iridium and platinum as the catalyst components constituting the anode catalyst layer. 図11は、アノード触媒層を構成する触媒成分としてのイリジウムの触媒塗布面積あたりに担持される触媒成分の量に対する、カーボン腐食量を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the amount of carbon corrosion relative to the amount of catalyst component supported per catalyst application area of iridium as a catalyst component constituting the anode catalyst layer. 図12は、アノード触媒層を構成する触媒成分としての白金の触媒塗布面積あたりに担持される触媒成分の量に対する、カーボン腐食量を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the amount of carbon corrosion with respect to the amount of catalyst component supported per catalyst application area of platinum as a catalyst component constituting the anode catalyst layer.

<本発明の第1>
本発明の第1は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置され、導電性炭素材料に触媒成分が担持されてなる触媒を含むカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置され、導電性炭素材料に触媒成分が担持されてなる触媒を含むアノード触媒層と、を有する、電解質膜−電極接合体であって、前記アノード触媒層が、0.005mg/cm以上のイリジウムおよび0.1mg/cm以下の白金を含有し、前記カソード触媒層が、少なくとも、前記導電性炭素材料に担持されてなる白金を含有する、電解質膜−電極接合体である。
<First of the present invention>
The first aspect of the present invention is an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer that is disposed on one side of the electrolyte membrane and includes a catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carbon material, and on the other side of the electrolyte membrane. And an anode catalyst layer containing a catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carbon material, wherein the anode catalyst layer is 0.005 mg / cm 2 or more. An electrolyte membrane-electrode assembly comprising iridium and 0.1 mg / cm 2 or less of platinum, wherein the cathode catalyst layer contains at least platinum supported on the conductive carbon material.

[カソード触媒層]
まず、カソード触媒層についての説明を行う。本発明のカソード触媒層において、担体としては、導電性を有する炭素材料(本明細書中「導電性炭素材料」とも称する)が使用される。なお、本明細書中、「触媒層」は「触媒」を含むものであり、「触媒」は「担体」および「触媒成分」から構成される。
[Cathode catalyst layer]
First, the cathode catalyst layer will be described. In the cathode catalyst layer of the present invention, a conductive carbon material (also referred to herein as “conductive carbon material”) is used as the carrier. In this specification, “catalyst layer” includes “catalyst”, and “catalyst” is composed of “support” and “catalyst component”.

本発明のカソード触媒層は、電解質膜の一方の側に配置される。そして、本発明のカソード触媒層は、導電性炭素材料に触媒成分が担持されてなる触媒を含み、かかる触媒成分として、少なくとも白金を含む(つまり、白金担持カーボンを含む)。   The cathode catalyst layer of the present invention is disposed on one side of the electrolyte membrane. The cathode catalyst layer of the present invention includes a catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carbon material, and includes at least platinum (that is, includes platinum-supported carbon) as the catalyst component.

本発明においては、下記で説明するアノード触媒層において、単位触媒塗布面積当たりの白金の量が有意に少ない(かかる白金の量については、アノード触媒層の説明の項でも詳述する)。その代わりにイリジウムが所定量以上含有されている。そのことによって、燃料電池の起動時や水素欠乏解消後のカソードカーボン腐食を抑制し、電池としての発電性能も有意に保持している。   In the present invention, in the anode catalyst layer described below, the amount of platinum per unit catalyst coating area is significantly small (the amount of platinum is also described in detail in the description of the anode catalyst layer). Instead, iridium is contained in a predetermined amount or more. As a result, the cathode carbon corrosion at the start-up of the fuel cell and after elimination of the hydrogen deficiency is suppressed, and the power generation performance as the cell is also significantly maintained.

上記の通り、本発明のカソード触媒層において、触媒成分としては、少なくとも白金を含む。なお、白金以外の他の触媒成分が含まれてもよい。かような触媒成分としては、特に制限はなく、具体的には、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、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などが挙げられる。触媒成分は、酸化物ではなく、金属として添加することにより、より効果的に働く(アノードにおいても然りである)。   As described above, in the cathode catalyst layer of the present invention, the catalyst component contains at least platinum. In addition, catalyst components other than platinum may be contained. Such a catalyst component is not particularly limited, and specifically, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and the like. And their alloys, and the like. The catalyst component works more effectively by adding it as a metal rather than an oxide (as is the case with the anode).

前記合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できる。合金の組成は、好ましくは、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が70〜10原子%とすることが好ましい。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、金属的性質をもっ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。   The composition of the alloy varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 70 to 10 atomic% for other metals to be alloyed. In general, an alloy is a generic 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.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。また、触媒成分の大きさ(平均粒径)は、1〜10nm、より好ましくは1〜5nmであることが好ましい。ここで、触媒成分の平均粒径が1nm未満であると、触媒成分の表面積が大きくなるものの、電位の変化で溶出しやすくなり、経時的な性能低下が大きい可能性がある。また、触媒成分の平均粒径が10nmを超えると、触媒成分の表面積が小さくなりすぎて、3相界面を十分確保することが難しく、また、発電性能が低下する可能性がある。なお、カソード触媒層に用いられる触媒成分の大きさ(平均粒径)は、同一であってもあるいは異なるものであってもよく、所望の作用を奏するように、適宜選択される。また、本発明における「触媒成分の平均粒径」は、X線回折における当該物質の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる粒子径の平均値により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. The size (average particle diameter) of the catalyst component is preferably 1 to 10 nm, more preferably 1 to 5 nm. Here, when the average particle size of the catalyst component is less than 1 nm, although the surface area of the catalyst component is increased, elution is easily caused by a change in potential, and there is a possibility that performance deterioration with time is large. On the other hand, if the average particle size of the catalyst component exceeds 10 nm, the surface area of the catalyst component becomes too small, and it is difficult to ensure a sufficient three-phase interface, and the power generation performance may be reduced. In addition, the magnitude | size (average particle diameter) of the catalyst component used for a cathode catalyst layer may be the same, or may differ, and it is suitably selected so that there may exist a desired effect | action. The “average particle diameter of the catalyst component” in the present invention is measured by the crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the substance in X-ray diffraction or the average value of the particle diameter determined from a transmission electron microscope image. be able to.

本発明のカソード触媒層において、担体としての導電性炭素材料の比表面積は、250m/g以上を有すると好ましい。なお、本明細書中、比表面積は、BET法によって測定された表面積である。 In the cathode catalyst layer of the present invention, the specific surface area of the conductive carbon material as the support is preferably 250 m 2 / g or more. In the present specification, the specific surface area is a surface area measured by the BET method.

前記比表面積が上記範囲であれば、前記担体への触媒成分の分散性が良好であり、十分な発電性能が達成でき、しかも、カソードカーボン腐食を有意に抑制することができる。ただし、カソード触媒層を構成する担体が一定の比表面積以上(250m/g以上)を有しているため、担持される触媒成分がよく分散する。そのため、触媒成分の表面積を高く維持することができるため、発電性能が高くなる。換言すると、比表面積の高いカーボンを用いても、十分に低い酸素還元活性にすることができる。そのため、起動もしくは水素欠乏解消後のカソードカーボン腐食を抑制することができる。そうであるため、カソード触媒層を構成する導電性炭素材料として、大きな比表面積を有するカーボン(例えば、250m/g以上)を用いることができ、カソードカーボン腐食の抑制効果を確実に得ながら、発電性能を高めることができる。 When the specific surface area is in the above range, the dispersibility of the catalyst component on the carrier is good, sufficient power generation performance can be achieved, and cathode carbon corrosion can be significantly suppressed. However, since the carrier constituting the cathode catalyst layer has a certain specific surface area or more (250 m 2 / g or more), the supported catalyst component is well dispersed. Therefore, since the surface area of the catalyst component can be kept high, the power generation performance is improved. In other words, even when carbon having a high specific surface area is used, the oxygen reduction activity can be made sufficiently low. Therefore, it is possible to suppress the cathode carbon corrosion after the start-up or elimination of hydrogen deficiency. As a result, carbon having a large specific surface area (for example, 250 m 2 / g or more) can be used as the conductive carbon material constituting the cathode catalyst layer, while reliably suppressing the cathode carbon corrosion, Power generation performance can be improved.

ここで、カソードカーボン腐食が起こるメカニズムを説明する。   Here, the mechanism of cathodic carbon corrosion will be described.

燃料電池スタックを起動する際、アノード内に水素と酸素が混在することによって、セル内が電池部分とそうでない部分に分かれる。そのことによって、電池電圧による電圧がかかり、自然状態よりもカソード側が高電位になり、カソードカーボンが腐食する。この劣化を抑制するための効果的なものの一つとして、アノードの酸素還元活性を下げるという方策が挙げられる。アノードの酸素還元活性を下げることによって、結果的にカソードにかかる電位が低くなり、それによってカソードカーボン腐食を抑制することができる。   When the fuel cell stack is started, hydrogen and oxygen are mixed in the anode, so that the inside of the cell is divided into a battery part and a non-battery part. As a result, a voltage due to the battery voltage is applied, the cathode side becomes higher than the natural state, and the cathode carbon is corroded. One effective measure for suppressing this deterioration is to reduce the oxygen reduction activity of the anode. Decreasing the oxygen reduction activity of the anode results in a lower potential on the cathode, thereby inhibiting cathode carbon corrosion.

燃料電池スタック内が空気雰囲気の状態の際に、アノードに水素を供給したとき、アノード内は水素が存在している箇所と空気が存在している箇所に分かれる。実際は、アノード内が時間と共に水素に置換されていくが、ここでは簡易的にアノードの半分が水素雰囲気に、もう半分が空気雰囲気になっているものとして説明する。カソードの全面には空気が存在しているため、アノードが水素雰囲気であるセルの半分は電池となる。しかし、もう半分は電池と成り得ないため、電圧差が生じ、セパレータなどを通じて電子が流れる。アノードの水素雰囲気下では、   When hydrogen is supplied to the anode when the fuel cell stack is in an air atmosphere, the anode is divided into a location where hydrogen is present and a location where air is present. Actually, the inside of the anode is replaced with hydrogen over time, but here, it is assumed that a half of the anode is a hydrogen atmosphere and the other half is an air atmosphere. Since air is present on the entire surface of the cathode, half of the cells whose anode is in a hydrogen atmosphere are batteries. However, since the other half cannot be a battery, a voltage difference occurs, and electrons flow through a separator or the like. Under the hydrogen atmosphere of the anode,

Figure 0005805924
Figure 0005805924

の反応が生じ、その対極であるカソードでは、 In the cathode that is the opposite electrode,

Figure 0005805924
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の反応が生じる。また、上記反応に伴いアノードの空気雰囲気下では、 Reaction occurs. In addition, in the air atmosphere of the anode accompanying the above reaction,

Figure 0005805924
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の反応が生じ、その対極であるカソードでは、高電位になることで、 When the cathode of the opposite electrode is at a high potential,

Figure 0005805924
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の2つの反応が生じることになる。 These two reactions will occur.

以上が、カソードカーボンが腐食されるメカニズムである。ただ、本発明の技術的範囲が、かかるメカニズムによって限定されることはないことはいうまでもない。   The above is the mechanism by which the cathode carbon is corroded. However, it goes without saying that the technical scope of the present invention is not limited by this mechanism.

上記(3)における反応において、電位が低ければ低いほどカソード腐食部の電位は低くなりカソードカーボン腐食を抑制することができる。この反応活性が低ければカソードカーボン腐食を抑制することができる。ここで、実施例の項においても詳細に説明するが、カソードカーボン腐食を抑制する効果を確実に得るためには、上記(3)の反応における所定の条件において、一定の電位以下であることが好ましい。   In the reaction in the above (3), the lower the potential, the lower the potential of the cathode corroded portion, and the cathode carbon corrosion can be suppressed. If this reaction activity is low, cathode carbon corrosion can be suppressed. Here, as will be described in detail in the section of the examples, in order to surely obtain the effect of suppressing the cathode carbon corrosion, the predetermined potential in the reaction of the above (3) must be below a certain potential. preferable.

当該所定の条件は、以下の通りである。すなわち、セル温度80℃における空気雰囲気下の燃料極側の分極曲線(アノードガス:空気(RH=80%)、カソードガス:水素(RH=80%)、走査範囲:1〜0V vs.RHE、走査速度:5mV/sec)を取得した際、酸素還元反応による電流密度が100mA/cmのときである。そのときの電位を0.5V以下にすることで、カソード腐食部電位を1.3V程度に抑えることができる。 The predetermined conditions are as follows. That is, a polarization curve on the fuel electrode side in an air atmosphere at a cell temperature of 80 ° C. (anode gas: air (RH = 80%), cathode gas: hydrogen (RH = 80%), scanning range: 1 to 0 V vs. RHE, This is when the current density by the oxygen reduction reaction is 100 mA / cm 2 when the scanning speed is 5 mV / sec. By setting the potential at that time to 0.5 V or less, the cathode corroded portion potential can be suppressed to about 1.3 V.

1.3Vや特に1.5Vなどの高電位において、同じ電位でも担体としての導電性炭素材料の種類によってカーボン腐食量が異なる。カーボン腐食がしにくい導電性炭素材料をカソード触媒層に用いることによって、耐久性を高めることは可能である。本発明においては、後に詳述するアノード触媒層において、担持される白金の量が一定量以下に制御し、カソードカーボン腐食を有意に抑制させる。つまり、カーボン腐食がしにくい、比表面積が小さな導電性炭素材料を用いる必要がなく、電池としての発電性能を有意に向上させる。   At high potentials such as 1.3 V and particularly 1.5 V, the amount of carbon corrosion varies depending on the type of conductive carbon material as a carrier even at the same potential. Durability can be increased by using a conductive carbon material that is less susceptible to carbon corrosion for the cathode catalyst layer. In the present invention, the amount of platinum supported in the anode catalyst layer, which will be described in detail later, is controlled to a certain amount or less, and the cathode carbon corrosion is significantly suppressed. That is, it is not necessary to use a conductive carbon material that is less susceptible to carbon corrosion and has a small specific surface area, and the power generation performance as a battery is significantly improved.

そのため、カソード触媒層において、大きな比表面積を有するカーボン(例えば、250m/g以上)を用いることができ、白金などを含む触媒を高分散させることができる。このように触媒成分の表面積を高く維持することができるため、スタックの耐久性を高めながらも、発電性能を高く維持することができる。 Therefore, carbon having a large specific surface area (for example, 250 m 2 / g or more) can be used in the cathode catalyst layer, and a catalyst containing platinum or the like can be highly dispersed. Thus, since the surface area of the catalyst component can be kept high, the power generation performance can be kept high while enhancing the durability of the stack.

本発明のカソード触媒層において、担体としての導電性炭素材料の大きさは、特に限定されないが、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   In the cathode catalyst layer of the present invention, the size of the conductive carbon material as a support is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

また、本発明のカソード触媒層において、単位触媒塗布面積当たりの触媒成分(例えば、白金のみ)の質量(mg/cm)は、本発明の目的(カソードカーボン腐食を抑制する)ことを達成することを鑑みると、好ましくは0.01〜1.0mg/cmであり、より好ましくは0.05〜0.5mg/cmであり、さらに好ましくは0.1〜0.4mg/cmである。なお、本明細書中、「単位触媒塗布面積当たりの触媒成分の質量(mg/cm)」の測定(確認)方法は、ICPもしくはICP−AESを用いる。また、所望の「単位触媒塗布面積当たりの触媒成分の質量(mg/cm)」にせしめる方法も当業者であれば容易に行うことができ、スラリーの組成(触媒濃度)と塗布量を制御することで量の調整することができる。 In the cathode catalyst layer of the present invention, the mass (mg / cm 2 ) of the catalyst component (for example, platinum only) per unit catalyst application area achieves the object of the present invention (suppresses cathode carbon corrosion). Considering that, preferably 0.01 to 1.0 mg / cm 2, more preferably from 0.05 to 0.5 / cm 2, more preferably at 0.1~0.4mg / cm 2 is there. In this specification, ICP or ICP-AES is used as a method of measuring (confirming) “mass of catalyst component per unit catalyst application area (mg / cm 2 )”. Also, a method of making the desired “mass of catalyst component per unit catalyst coating area (mg / cm 2 )” can be easily performed by those skilled in the art, and the composition (catalyst concentration) and coating amount of the slurry can be controlled. You can adjust the amount.

また、本発明のカソード触媒層において、担体における触媒成分の担持率は、触媒(つまり、担体と、触媒成分)の全量に対して、好ましくは20〜70質量%、より好ましくは30〜50質量%とするのがよい。担持量(担持率とも称する場合がある)が前記範囲であれば、十分な触媒成分の担体上での分散度、発電性能の向上、経済上での利点、単位質量あたりの触媒活性が達成できるため好ましい。   In the cathode catalyst layer of the present invention, the loading ratio of the catalyst component on the carrier is preferably 20 to 70% by mass, more preferably 30 to 50% by mass with respect to the total amount of the catalyst (that is, the carrier and the catalyst component). % Is good. If the supported amount (sometimes referred to as the supported rate) is within the above range, sufficient dispersion of the catalyst components on the carrier, improved power generation performance, economic advantages, and catalytic activity per unit mass can be achieved. Therefore, it is preferable.

また、本発明のカソード触媒層において、担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、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(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。   In the cathode catalyst layer of the present invention, the catalyst component can be supported on the carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used.

本発明のカソード触媒層において、カソード触媒は、担体としての導電性炭素材料に、白金や白金合金を担持(触媒種の担持濃度、30〜70質量%)したものであることが好ましい。上記において、導電性炭素材料としては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理したカーボン担体、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバーなどがある。本発明のカソード触媒層においては、アセチレンブラック、予め高温で熱処理したケッチェンブラックが、一定以上の比表面積を有しうる点で好ましい。なお、予めの高温での熱処理条件は、特に制限はないが、不活性雰囲気下で、好ましくは2000〜2500℃である。   In the cathode catalyst layer of the present invention, the cathode catalyst is preferably one in which platinum or a platinum alloy is supported on a conductive carbon material as a carrier (supporting concentration of catalyst species, 30 to 70% by mass). In the above, examples of the conductive carbon material include ketjen black, vulcan, acetylene black, black pearl, a carbon support previously heat-treated at high temperature, a carbon nanotube, a carbon nanohorn, and a carbon nanofiber. In the cathode catalyst layer of the present invention, acetylene black and ketjen black previously heat-treated at high temperature are preferable in that they can have a specific surface area of a certain level or more. The heat treatment conditions at a high temperature in advance are not particularly limited, but are preferably 2000 to 2500 ° C. in an inert atmosphere.

また、本発明のカソード触媒層において、カソード触媒層の厚みは、1〜20μm、より好ましくは2〜15μmである。この範囲とすることにより、酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる。   In the cathode catalyst layer of the present invention, the thickness of the cathode catalyst layer is 1 to 20 μm, more preferably 2 to 15 μm. By setting it within this range, the catalytic action of the oxygen reduction reaction (cathode side) can be sufficiently exerted.

[アノード触媒層]
続いて、アノード触媒層についての説明を行う。なお、説明の重複を避けるため、カソード触媒層で説明した事項が同様に妥当する場合は、この項には記載しない場合もある。
[Anode catalyst layer]
Subsequently, the anode catalyst layer will be described. In addition, in order to avoid duplication of explanation, when the matters explained in the cathode catalyst layer are similarly valid, they may not be described in this section.

本発明のアノード触媒層は、前記電解質膜の他方の側に配置される。そして、本発明のアノード触媒層は、導電性炭素材料に触媒成分が担持されてなる触媒を含み、かかる触媒成分として、0.005mg/cm以上のイリジウムおよび0.1mg/cm以下の白金を含む。 The anode catalyst layer of the present invention is disposed on the other side of the electrolyte membrane. The anode catalyst layer of the present invention includes a catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carbon material. As the catalyst component, 0.005 mg / cm 2 or more of iridium and 0.1 mg / cm 2 or less of platinum. including.

なお、燃料電池における運転時においては、その電位によって酸化物の形態になる場合があるため、これらの範囲は、イリジウム・白金単体として換算したものとする。なお、本明細書中「単位触媒塗布面積当たりの触媒成分の質量(mg/cm)」の測定(確認)方法は、上記述べた通り、ICPもしくはICP−AESを用いるが、いずれかの方法によって測定した値が、本発明の所定の量に含まれれば、本発明の技術的範囲に含まれるものとする。 It should be noted that during the operation of the fuel cell, oxides may be formed depending on the potential, so these ranges are assumed to be converted as iridium / platinum alone. In addition, as described above, ICP or ICP-AES is used as the measurement (confirmation) method of “mass of catalyst component per unit catalyst application area (mg / cm 2 )” in this specification. If the value measured by the above is included in the predetermined amount of the present invention, it is included in the technical scope of the present invention.

本発明においては、アノード触媒層における単位触媒塗布面積当たりのイリジウムの質量が0.005mg/cm以上である。イリジウムは、酸素還元活性が有意に低いため、燃料電池の起動時または水素欠乏が解消された後のカソードカーボン腐食を抑制することができる。イリジウムの質量が0.005mg/cm以上であると、燃料電池の運転に必要な水素酸化活性は維持し、アノード触媒層を構成する触媒成分として白金のみを用いた際の発電性能と同等にすることができる。それだけではなく、アノード触媒層が高い水電解活性を有し、燃料欠乏時のアノードカーボン腐食を抑制する効果も有する。さらには、水電解反応時の触媒への水の供給量が増加され、水電解反応時に発生する酸素の排出性向上によって、水電解反応の維持を図ることができる。さらに、燃料電池が水素不足の状態で転極状態に陥った際に、高い水電解活性維持し、アノードカーボン腐食を抑制することもできる。 In the present invention, the mass of iridium per unit catalyst application area in the anode catalyst layer is 0.005 mg / cm 2 or more. Since iridium has a significantly low oxygen reduction activity, it can suppress cathodic carbon corrosion at the start of the fuel cell or after the hydrogen deficiency is resolved. When the mass of iridium is 0.005 mg / cm 2 or more, the hydrogen oxidation activity necessary for the operation of the fuel cell is maintained, and it is equivalent to the power generation performance when only platinum is used as the catalyst component constituting the anode catalyst layer. can do. In addition, the anode catalyst layer has high water electrolysis activity, and also has an effect of suppressing anode carbon corrosion at the time of fuel deficiency. Furthermore, the amount of water supplied to the catalyst during the water electrolysis reaction is increased, and the water electrolysis reaction can be maintained by improving the discharge of oxygen generated during the water electrolysis reaction. Furthermore, when the fuel cell falls into a reversal state due to hydrogen shortage, high water electrolysis activity can be maintained and anode carbon corrosion can be suppressed.

上記の通り、本発明においては、アノード触媒層における単位触媒塗布面積当たりのイリジウムの質量が0.005mg/cm以上であるため、耐久性を高めるために、カソード触媒層に用いられる担体として発電性能の低い導電性炭素材料を用いる必要がなく、発電性能の高い導電性炭素材料をカソード触媒層に用いることが可能になる。そのため、カソードの耐久性のみならず、発電性能を向上させることも可能である。 As described above, in the present invention, since the mass of iridium per unit catalyst application area in the anode catalyst layer is 0.005 mg / cm 2 or more, power generation is performed as a carrier used in the cathode catalyst layer in order to enhance durability. It is not necessary to use a conductive carbon material with low performance, and a conductive carbon material with high power generation performance can be used for the cathode catalyst layer. Therefore, not only the durability of the cathode but also the power generation performance can be improved.

本発明のアノード触媒層において、白金は含まれても含まれなくてもよい。つまり、アノード触媒層における触媒成分は、所定量以上のイリジウムのみでもよいし、他に、所定量以下の白金が含まれてもよい。無論、それら以外の他の触媒成分が含まれてもよい。かかる他の触媒成分としては、上記カソード触媒層において説明された成分が同様に妥当する。ただ、コストの理由から、含まれるとしても0.1mg/cm以下程度であることが好ましい。 In the anode catalyst layer of the present invention, platinum may or may not be included. That is, the catalyst component in the anode catalyst layer may be only a predetermined amount or more of iridium, or may contain platinum of a predetermined amount or less. Of course, other catalyst components may be included. As such other catalyst components, the components described in the cathode catalyst layer are equally applicable. However, for reasons of cost, it is preferably about 0.1 mg / cm 2 or less even if included.

本発明のアノード触媒層において、イリジウムの量(mg/cm)は、0.005mg/cm以上であるが、好ましくは0.005〜1.0mg/cmであり、より好ましくは0.01〜0.3mg/cmである。0.01mg/cm以上が好ましいのは、発電性能を高く維持するためである。また、1.0mg/cm以下であると、触媒調製の際に添加するイリジウムの量あたりのカーボン腐食の抑制効果が高く、つまり、コストを低減することができる。また、0.3mg/cm以下が好ましいのは、そのことによって、アノード触媒層の厚みを所定値以下にすることができ、プロトン移動抵抗を低下させ、ガス拡散性を維持することができ、高いカーボン腐食耐性を持ったまま発電性能を高めることができるからである。 In the anode catalyst layer of the present invention, the amount of iridium (mg / cm 2) is at 0.005 mg / cm 2 or more, preferably 0.005~1.0mg / cm 2, more preferably 0. it is a 01~0.3mg / cm 2. The reason why 0.01 mg / cm 2 or more is preferable is to maintain high power generation performance. Further, when it is 1.0 mg / cm 2 or less, the effect of suppressing carbon corrosion per amount of iridium added during catalyst preparation is high, that is, the cost can be reduced. In addition, 0.3 mg / cm 2 or less is preferable, which can reduce the thickness of the anode catalyst layer to a predetermined value or less, reduce proton transfer resistance, and maintain gas diffusibility. This is because the power generation performance can be enhanced while maintaining high carbon corrosion resistance.

なお、イリジウムの量(mg/cm)が、0.005mg/cmであったり、それを少し超える程度であったりする場合は、白金が含まれることがより好ましく、具体的には、白金が0.01mg/cm以上含有されることが好ましい。 In addition, when the amount of iridium (mg / cm 2 ) is 0.005 mg / cm 2 or slightly higher than that, it is more preferable that platinum is contained, and specifically, platinum Is preferably contained in an amount of 0.01 mg / cm 2 or more.

一方で、アノード触媒層において、担持される白金の量が0.1mg/cm以下とすることによって、低い酸素還元活性を有し、起動時もしくは水素欠乏解消後のカソードカーボン腐食を抑制することができる。そのため、スタックの耐久性を向上することができる。本発明においては、有意に少量の白金が含まれることを許容することによって、カソードカーボン腐食を抑制しながら、発電性能が有意に向上する。なお、0.1mg/cmを超えて白金が含まれると、起動時や発電時の燃料ガスと酸化剤ガスの混在によるカソードカーボン腐食劣化を同時に抑制できず、カソードカーボン腐食が進む。本発明のアノード触媒層において、担持される白金の量が0.1mg/cm以下であるが、好ましくは0〜0.01mg/cmである。かかる範囲であると、発電性能が向上し、カソードカーボン腐食劣化は抑えられる。 On the other hand, by making the amount of platinum supported in the anode catalyst layer 0.1 mg / cm 2 or less, it has low oxygen reduction activity and suppresses cathode carbon corrosion at the start-up or after elimination of hydrogen deficiency. Can do. Therefore, the durability of the stack can be improved. In the present invention, by allowing a significantly small amount of platinum to be contained, the power generation performance is significantly improved while suppressing cathode carbon corrosion. When platinum exceeds 0.1 mg / cm 2 , the cathode carbon corrosion deterioration due to the mixture of the fuel gas and the oxidant gas during start-up or power generation cannot be suppressed at the same time, and the cathode carbon corrosion proceeds. In the anode catalyst layer of the present invention, the amount of platinum to be supported is 0.1 mg / cm 2 or less, preferably 0~0.01mg / cm 2. Within such a range, power generation performance is improved and cathode carbon corrosion deterioration is suppressed.

カーボン腐食を抑制する(耐久性を上げること)と、発電性能を向上させることは、トレードオフの関係にある。アノード触媒層を構成する触媒成分を担持する導電性炭素材料の比表面積が小さくなると、発電性能が低下する虞がある。本発明においては、要求される発電性能を維持するために許容されるカーボン腐食量を概算(算出)することができる。それは、燃料電池の耐久時間は有限であるため、目標とする耐久時間を決めることによって、水素欠乏時に流れる平均電流密度、水素欠乏の平均継続時間、水素欠乏頻度から、許容されるアノードカーボン腐食の電流密度を算出することができる。   There is a trade-off between suppressing carbon corrosion (increasing durability) and improving power generation performance. If the specific surface area of the conductive carbon material supporting the catalyst component constituting the anode catalyst layer is reduced, the power generation performance may be reduced. In the present invention, it is possible to approximate (calculate) the amount of carbon corrosion allowed to maintain the required power generation performance. Because the endurance time of the fuel cell is finite, by determining the target endurance time, the allowable current of anode carbon corrosion can be determined from the average current density that flows when hydrogen is depleted, the average duration of hydrogen depletion, and the frequency of hydrogen depletion. The current density can be calculated.

実施例の項においても詳細に説明するが、耐久性を十分得るためには、所定の条件において、アノード触媒層において測定されるカーボン腐食電流量が一定値以下であることが好ましい。それは、アノード触媒層を構成する導電性炭素材料の使用量あたりのカーボン腐食電流量が高いほどカーボン腐食速度が高くなるため耐久性は低くなり、逆に低いほどカーボン腐食速度が低くなるため耐久性は高くなるからである。   As will be described in detail in the Examples section, in order to obtain sufficient durability, it is preferable that the amount of carbon corrosion current measured in the anode catalyst layer is a predetermined value or less under predetermined conditions. The higher the carbon corrosion current amount per use amount of the conductive carbon material constituting the anode catalyst layer, the higher the carbon corrosion rate, and the lower the durability. On the contrary, the lower the carbon corrosion rate, the lower the carbon corrosion rate. Because it becomes higher.

当該所定の条件は、以下の通りである。すなわち、実施例の項においても詳述するが、セル温度50℃における空気雰囲気下の燃料極側の分極曲線(アノードガス:空気RH=80%、カソードガス:水素RH=80%、走査範囲:1V〜2V、走査速度:5mV/sec)を取得した際の水電解反応とカーボン腐食反応による電流密度の和が、100mA/cmのときである。そのとき、アノード触媒層を構成する導電性炭素材料の量あたりのカーボン腐食電流量が12A/g以下とすることが好ましい。12A/g以下とすることによって、耐久性を十分に得ることができる。つまり、確実にアノードカーボン腐食量を低く抑えることができるため、アノード触媒層を構成する導電性炭素材料をより適切に選択できる。よって、アノード触媒層を構成する導電性炭素材料の種類、その添加量を適切なものとすることができ、十分な耐久性を得ることができる。なお、「水電解反応とカーボン腐食反応による電流密度の和が、100mA/cmのとき」との条件は、実用性を確保するために必要な耐久条件としてこの電流密度を仮定している。つまり、燃料電池自動車の場合、稼動時間に対する平均電流密度はこの程度であるため、特殊な使われ方をしない限り、「100mA/cm」程度で見積もっておけば十分であると考えられる。なお、後述する実施例において「電流密度の和が、200mA/cm」という条件でも実験を行ったが、「電流密度の和が、100mA/cm」と同様の結果が得られた。すなわち、アノード触媒層を構成する触媒成分として一定量以上(0.005mg/cm)のイリジウムが含有されることによって、有意にアノードカーボン腐食を抑制することが分かる(つまり、「0.005mg/cm」の技術的意義がこの結果によっても支持できる)。 The predetermined conditions are as follows. That is, as will be described in detail in the section of the embodiment, the polarization curve on the fuel electrode side in an air atmosphere at a cell temperature of 50 ° C. (anode gas: air RH = 80%, cathode gas: hydrogen RH = 80%, scanning range: 1V to 2V, scanning speed: 5 mV / sec) is obtained when the sum of the current density due to the water electrolysis reaction and the carbon corrosion reaction is 100 mA / cm 2 . At that time, the amount of carbon corrosion current per amount of the conductive carbon material constituting the anode catalyst layer is preferably 12 A / g or less. By setting it to 12 A / g or less, sufficient durability can be obtained. That is, since the amount of anode carbon corrosion can be reliably reduced, the conductive carbon material constituting the anode catalyst layer can be selected more appropriately. Therefore, the kind of conductive carbon material which comprises an anode catalyst layer, and its addition amount can be made appropriate, and sufficient durability can be obtained. The condition “when the sum of the current densities due to the water electrolysis reaction and the carbon corrosion reaction is 100 mA / cm 2 ” assumes this current density as an endurance condition necessary for ensuring practicality. That is, in the case of a fuel cell vehicle, since the average current density with respect to the operation time is about this level, it is considered sufficient to estimate at about “100 mA / cm 2 ” unless it is used in a special manner. In Examples described below, "the sum of the current density, 200 mA / cm 2" were subjected to experiment under the condition that "the sum of the current density, 100 mA / cm 2" and similar results were obtained. That is, it can be understood that the anode carbon corrosion is significantly suppressed by containing a certain amount (0.005 mg / cm 2 ) of iridium as a catalyst component constituting the anode catalyst layer (that is, “0.005 mg / cm 2 ). The technical significance of “cm 2 ” can also be supported by this result).

なお、かかる所定の条件でカーボン腐食電流量を測定した場合に、12A/g以下となった場合、アノード触媒層の触媒成分としてイリジウムが単位担体面積あたり一定量以上担持されていることが推定され、本発明の技術的範囲を少なくとも一部実施していることが推定される。ところで、アノードの水素欠乏による劣化は、カソードのそれと比べて、スタック全体の耐久性に影響しないことを付言しておく。   In addition, when the amount of carbon corrosion current is measured under such a predetermined condition, when it is 12 A / g or less, it is estimated that a certain amount or more of iridium is supported as a catalyst component of the anode catalyst layer per unit carrier area. It is presumed that the technical scope of the present invention is at least partially implemented. By the way, it is added that deterioration due to hydrogen deficiency of the anode does not affect the durability of the entire stack as compared with that of the cathode.

上記において、本発明のアノード触媒層において、イリジウムの量(mg/cm)は、0.005mg/cm以上であると規定した。好ましくは、0.005〜1.0mg/cm、より好ましくは、0.01〜0.3mg/cmである。ただ、さらに好ましくはアノード触媒層を構成する担体としての導電性炭素材料の種類によって、イリジウムの量を調整することがよい。例えば、カーボン腐食耐性の低い導電性炭素材料(Carbon type(1) BET比表面積=800m/g)では、イリジウム量が0.096mg/cm以上であることが好ましく、0.1mg/cm以上であることがより好ましく、さらに好ましくは0.1〜1.0mg/cmである。カーボン腐食耐性を比較的有する導電性炭素材料(Carbon type(2) BET比表面積=250m/g)では、イリジウム量が約0.05mg/cm以上であることが好ましく、0.05〜0.2mg/cmであり、さらに好ましくは0.05〜0.1mg/cmである。カーボン腐食耐性が高い導電性炭素材料(Carbon type(3) BET比表面積=125m/g)ではイリジウム量が約0.02mg/cm以上であることが好ましく、より好ましくは0.02〜0.15mg/cmであり、さらに好ましくは0.02〜0.1mg/cmである。なお、これらの範囲を決定した根拠は、実施例の記載に基づくものである。なお、かかる実施例においては、アノード触媒層の触媒成分としてイリジウムのみを添加している。しかしながら、アノード触媒層の触媒成分として、0.1mg/cm以下の白金が含まれても、白金はイリジウムと比較して水電解反応に殆ど寄与しないことが後述の実施例によって判明したので、所定量以下の白金を含んでも、かかる好ましいイリジウム量の範囲は変化しないことを付言する。 In the above, in the anode catalyst layer of the present invention, the amount of iridium (mg / cm 2 ) was defined to be 0.005 mg / cm 2 or more. Preferably, 0.005~1.0mg / cm 2, more preferably 0.01~0.3mg / cm 2. However, it is more preferable to adjust the amount of iridium depending on the type of the conductive carbon material as the carrier constituting the anode catalyst layer. For example, in a conductive carbon material (Carbon type (1) BET specific surface area = 800 m 2 / g) having low carbon corrosion resistance, the amount of iridium is preferably 0.096 mg / cm 2 or more, and 0.1 mg / cm 2 More preferably, it is 0.1-1.0 mg / cm < 2 >. In a conductive carbon material (Carbon type (2) BET specific surface area = 250 m 2 / g) having relatively carbon corrosion resistance, the amount of iridium is preferably about 0.05 mg / cm 2 or more, and 0.05 to 0 a .2mg / cm 2, more preferably from 0.05 to 0.1 / cm 2. In a conductive carbon material (Carbon type (3) BET specific surface area = 125 m 2 / g) having high carbon corrosion resistance, the amount of iridium is preferably about 0.02 mg / cm 2 or more, more preferably 0.02 to 0 .15 mg / cm 2 , more preferably 0.02 to 0.1 mg / cm 2 . The basis for determining these ranges is based on the description of the examples. In this embodiment, only iridium is added as the catalyst component of the anode catalyst layer. However, as the catalyst component of the anode catalyst layer, even when 0.1 mg / cm 2 or less of platinum was contained, it was found by the examples described later that platinum hardly contributes to the water electrolysis reaction compared to iridium. It is added that the preferable range of the amount of iridium does not change even if platinum is contained in a predetermined amount or less.

Carbon type(1)、Carbon type(2)およびCarbon type(3)は、それぞれ、当業界で通常使用される、最も耐久性の低い部類のもの、耐久性の中程度の部類のもの、最も耐久性の高い部類に分類される。そして、本発明に規定するアノード触媒層の触媒成分としてイリジウムの一定範囲の量は、耐久性の低い部類のものCarbon type(1)を用いた場合でも効果(寿命)が得られる(確認できている)量である。つまり、より腐食耐性が高いカーボン種Carbon type(3)またはそれよりも耐性のあるカーボン種を用いた場合はさらに寿命が延びる。無論、寿命はカーボン種の腐食耐性のみではなく触媒層トータルの特性で決まることもある。   Carbon type (1), Carbon type (2) and Carbon type (3) are respectively the least durable, medium durable, and most durable commonly used in the industry. It is classified into a high class. The amount of iridium as a catalyst component of the anode catalyst layer defined in the present invention is effective (lifetime) even when Carbon type (1) of a low durability type is used (confirmed). Is) quantity. That is, when carbon type Carbon type (3) having higher corrosion resistance or a carbon type having higher resistance is used, the life is further extended. Of course, the lifetime may be determined not only by the corrosion resistance of the carbon species but also by the total characteristics of the catalyst layer.

一方で、カーボン腐食電流量(mg/cm)のデータを取得するには、厳密に言えばガス分析装置による二酸化炭素計測が必要となる。耐久性を十分得るためには、実施例の項でも詳述するが、セル温度50℃における空気雰囲気下の燃料極側の分極曲線(アノードガス:空気RH=80%、カソードガス:水素RH=80%、走査範囲:1V〜2V、走査速度:5mV/sec)を取得した際の水電解反応による電流密度(厳密には測定電流値に水電解反応電流とカーボン腐食反応電流が含まれる)が100mA/cmのときである。そのときの電位が1.635V以下であることが望ましい。より好ましくは1.5V以下である。なお、かかる所定の条件で電位を測定した場合に、1.635V以下となった場合、カーボン腐食電流量が12A/g以下であるものと推定されるため、上記と同様に、本発明の技術的範囲を少なくとも一部実施していることが推定される。かかる「1.635V以下」は、最も腐食しやすい部類のカーボン種(Carbon type(1))を用いた場合においても「カーボン腐食電流量が12A/g以下とする」ことができる条件である。1.635V以下であれば、十分な水電解活性を得ることができ、確実に燃料電池発電中の水素欠乏時のアノードカーボン腐食を十分抑制することができる。そのため、アノードに使用するカーボンが選択でき、高い性能を維持したまま確実にスタック耐久性を向上することができる。 On the other hand, in order to acquire the data of the amount of carbon corrosion current (mg / cm 2 ), strictly speaking, carbon dioxide measurement by a gas analyzer is required. In order to obtain sufficient durability, as described in detail in the example section, a polarization curve on the fuel electrode side in an air atmosphere at a cell temperature of 50 ° C. (anode gas: air RH = 80%, cathode gas: hydrogen RH = 80%, scanning range: 1 V to 2 V, scanning speed: 5 mV / sec) Current density due to water electrolysis reaction (strictly, the measured current value includes water electrolysis reaction current and carbon corrosion reaction current) This is at 100 mA / cm 2 . It is desirable that the potential at that time is 1.635V or less. More preferably, it is 1.5 V or less. In addition, when the potential is measured under such a predetermined condition, if it becomes 1.635 V or less, the amount of carbon corrosion current is estimated to be 12 A / g or less. It is estimated that the target range is implemented at least in part. Such “1.635 V or less” is a condition that allows the “carbon corrosion current amount to be 12 A / g or less” even when the most corrosive carbon species (Carbon type (1)) are used. If it is 1.635 V or less, sufficient water electrolysis activity can be obtained, and anode carbon corrosion at the time of hydrogen deficiency during fuel cell power generation can be sufficiently suppressed. Therefore, the carbon used for the anode can be selected, and the stack durability can be reliably improved while maintaining high performance.

なお、アノード触媒層においても、カソード触媒層で説明した合金の組成の説明、触媒成分の形状や大きさの説明は、同様に妥当する。   In the anode catalyst layer, the description of the alloy composition and the description of the shape and size of the catalyst component described in the cathode catalyst layer are also valid.

本発明のアノード触媒層において、担体としては、導電性炭素材料が使用される。ただし、担体としての導電性炭素材料の比表面積は、好ましくは250m/g未満、より好ましくは150m/g未満であるが、触媒成分の分散性の観点から、100m/g以上が好ましい。かかる比表面積が上記範囲であれば、前記担体への触媒成分の分散性が良好であり、十分な発電性能が達成でき、しかも、アノードカーボン腐食を有意に抑制することができる。 In the anode catalyst layer of the present invention, a conductive carbon material is used as the carrier. However, the specific surface area of the conductive carbon material as the support is preferably less than 250 m 2 / g, more preferably less than 150 m 2 / g, but from the viewpoint of dispersibility of the catalyst component, 100 m 2 / g or more is preferable. . If the specific surface area is within the above range, the dispersibility of the catalyst component on the carrier is good, sufficient power generation performance can be achieved, and anode carbon corrosion can be significantly suppressed.

また、アノード触媒層において、導電性炭素材料の大きさは、カソード触媒層で説明した通りである。   In the anode catalyst layer, the size of the conductive carbon material is as described in the cathode catalyst layer.

また、本発明のアノード触媒層において、担体における触媒成分の担持率は、触媒(つまり、担体と触媒成分)の全量に対して、好ましくは20〜60質量%、より好ましくは30〜50質量%とするのがよい。上記において、触媒成分とは、0.005mg/cm以上のイリジウム、またさらにその他の触媒成分を含む場合、その触媒成分との総計である。担持率が60質量%を超えると、発電性能が低下したり、アノード触媒層の構造破壊を招くおそれがある。カーボン腐食抑制効果を高くするには、イリジウムの有効表面積を高くする必要があるため、分散を良くする必要があり、できるだけ触媒を低担持率としたい。しかし、低担持率にすることで触媒層厚みが上昇しガス拡散性の悪化、プロトン伝導性の悪化、電気伝導性の悪化を招いたり、カーボン使用量が極端に増加することでカーボン腐食による触媒層構造破壊が促進されるなどの悪影響がある。そのため、アノードの触媒層厚みをある所定厚み以下にすることが望まれる。 In the anode catalyst layer of the present invention, the loading ratio of the catalyst component on the carrier is preferably 20 to 60% by mass, more preferably 30 to 50% by mass, based on the total amount of the catalyst (that is, the carrier and the catalyst component). It is good to do. In the above, the catalyst component is the total of 0.005 mg / cm 2 or more of iridium and further the catalyst component when other catalyst components are included. If the loading ratio exceeds 60% by mass, the power generation performance may be deteriorated or the structure of the anode catalyst layer may be destroyed. In order to increase the effect of inhibiting carbon corrosion, it is necessary to increase the effective surface area of iridium. Therefore, it is necessary to improve the dispersion, and the catalyst is desired to be as low as possible. However, the catalyst layer thickness increases due to the low loading ratio, resulting in deterioration of gas diffusibility, deterioration of proton conductivity, deterioration of electrical conductivity, or excessive increase in the amount of carbon used, resulting in catalyst due to carbon corrosion. There are adverse effects such as accelerated layer structure destruction. For this reason, it is desired that the catalyst layer thickness of the anode be not more than a predetermined thickness.

本発明のアノード触媒層は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)で観測することで、触媒層の厚みを測定することができる。アノード触媒層は平坦状に作製されるため、巨視的には平坦だが、微視的には平坦ではなく、触媒層の厚みが薄い部分と厚い部分が生じうる。本発明におけるアノード触媒層は、厚みの上限値が6μm以下である。   The thickness of a catalyst layer can be measured by observing the anode catalyst layer of the present invention with a scanning electron microscope (SEM). Since the anode catalyst layer is made flat, it is macroscopically flat, but is not microscopically flat, and a thin portion and a thick portion of the catalyst layer can be generated. The anode catalyst layer in the present invention has an upper limit of thickness of 6 μm or less.

本発明のアノード触媒層の厚みは、好ましくは0.1〜6μm、より好ましくは0.1〜1μmである。この範囲とすることにより、水電解反応が十分発揮できる。触媒担持量0.1mg/cm、触媒担持率を30%としたときの触媒層厚みは6μm程度であり、触媒担持率が30%以下とすると6μmを超える可能性がある。そうすると、性能低下や触媒層構造破壊を招くおそれがある。イリジウムを多く入れすぎると触媒層厚みが厚くなり発電性能が低下する恐れがある。また、貴金属使用量が増加するため当然ながらコストが増加する。一方で、アノード触媒層厚みを6μm以下にすれば、アノード触媒層内のガス拡散性を維持することができるため、発電性能を高めることができる。また、電解質膜からの水移動量を十分に確保できるため、より長く水電解反応を継続することができ、短い時間の水素欠乏だけでなく、長い時間の水素欠乏にも効果を発揮することができる。また、現在当業界で使用されているMEAに用いられる材料系を用いた場合に、物質輸送や車両に搭載する観点から鑑みた場合に望ましい。また、水素の酸化反応が十分発揮できる。 The thickness of the anode catalyst layer of the present invention is preferably 0.1 to 6 μm, more preferably 0.1 to 1 μm. By setting it as this range, water electrolysis reaction can fully be exhibited. When the catalyst loading is 0.1 mg / cm 2 and the catalyst loading is 30%, the catalyst layer thickness is about 6 μm. If the catalyst loading is 30% or less, the catalyst loading may exceed 6 μm. If it does so, there exists a possibility of causing a performance fall and catalyst layer structure destruction. If too much iridium is added, the thickness of the catalyst layer becomes thick and the power generation performance may be reduced. Further, since the amount of noble metal used increases, the cost naturally increases. On the other hand, if the anode catalyst layer thickness is 6 μm or less, the gas diffusibility in the anode catalyst layer can be maintained, so that the power generation performance can be improved. In addition, since the amount of water movement from the electrolyte membrane can be sufficiently secured, the water electrolysis reaction can be continued for a longer time, and it is effective not only for short time hydrogen deficiency but also for long time hydrogen deficiency. it can. In addition, when a material system used for MEAs currently used in the industry is used, it is desirable from the viewpoint of material transportation and mounting on a vehicle. Moreover, the oxidation reaction of hydrogen can be sufficiently exhibited.

本発明のアノード触媒層において、担体への触媒成分の担持は、上記述べたとおり、公知の方法で行うことができる。   In the anode catalyst layer of the present invention, the catalyst component can be supported on the carrier by a known method as described above.

本発明のアノード触媒層において、アノード触媒は、担体としての導電性炭素材料に、イリジウムを0.005mg/cm以上担持させ、発電性能を向上させる目的では白金が含まれることが好ましいが、上限は、0.1mg/cm以下である。上記において、導電性炭素材料としては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理したカーボン担体、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバーなどがある。本発明のアノード触媒層において、導電性炭素材料として、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、予め高温で熱処理したケッチェンブラックが好ましい。なお、予めの高温での熱処理条件は、不活性雰囲気下で、好ましくは2000〜2500℃である。 In the anode catalyst layer of the present invention, the anode catalyst preferably contains platinum for the purpose of supporting 0.005 mg / cm 2 or more of iridium on the conductive carbon material as a carrier and improving the power generation performance. Is 0.1 mg / cm 2 or less. In the above, examples of the conductive carbon material include ketjen black, vulcan, acetylene black, black pearl, a carbon support previously heat-treated at high temperature, a carbon nanotube, a carbon nanohorn, and a carbon nanofiber. In the anode catalyst layer of the present invention, the conductive carbon material is preferably ketjen black, acetylene black, or ketjen black previously heat treated at a high temperature. In addition, the heat treatment conditions at a high temperature in advance are preferably 2000 to 2500 ° C. in an inert atmosphere.

本発明のカソード触媒層・アノード触媒層は、それぞれ、プロトン導電性物質を含む。   The cathode catalyst layer and anode catalyst layer of the present invention each contain a proton conductive material.

前記プロトン導電性物質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できるプロトン導電性物質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The proton conductive material is not particularly limited and a known material can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Proton conductive materials that can be used at this time are broadly classified into fluorine-based electrolytes containing fluorine atoms in the whole or part of the polymer skeleton and hydrocarbon-based electrolytes not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、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好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as 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.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

プロトン導電性物質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましい。なかでも、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)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。特に、本発明において、プロトン導電性物質としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)等のスルホン酸基を有するものを使用する場合には、EWが600〜1100程度のものを使用することが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、スルホン酸基1モルあたりの乾燥膜重量を表わし、小さいほどスルホン酸基の比重が大きいことを意味する。   The proton conductive material preferably contains a fluorine atom because of excellent heat resistance, chemical stability, and the like. Among these, fluorine electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like are preferable. In particular, in the present invention, when a proton conductive material having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is used, it is preferable to use a material having an EW of about 600 to 1100. In addition, EW (Equivalent Weight) represents the dry membrane weight per 1 mol of sulfonic acid groups, and means that the specific gravity of sulfonic acid groups is larger as the smaller.

また、プロトン導電性物質の量は、特に制限されない。担体質量(C)に対する前記プロトン導電性物質質量(I)の比(Ionomer/Carbon;I/C)が、0.5〜2.0、より好ましくは0.7〜1.6となるような量であることが好ましい。このような範囲であると、十分なプロトン伝導性およびガス拡散性が達成しうる。なお、上記I/C比は、以下に詳述する触媒インク(スラリー)を作製する際に予め混合する触媒層中に含まれる担体質量および電解質固形分を測定しておき、これらの混合比を調整することにより、算出され、また、制御できる。また、触媒層を分析して、前記I/Cを求める際の、担体の質量(C)とは、触媒の質量から触媒成分の質量を差し引いたものとする。触媒成分の質量は誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって定量することができる。触媒層を分析して、前記I/Cを求める際の、触媒層中のプロトン導電性物質質量(I)は、19F NMRによるプロトン導電性物質の構造解析、および、電量滴定によるS原子の定量、の2つを組合わせることで定量することができる。 Further, the amount of the proton conductive material is not particularly limited. The ratio (Ionomer / Carbon; I / C) of the proton conductive material mass (I) to the carrier mass (C) is 0.5 to 2.0, more preferably 0.7 to 1.6. An amount is preferred. In such a range, sufficient proton conductivity and gas diffusivity can be achieved. The I / C ratio is determined by measuring the carrier mass and electrolyte solid content contained in the catalyst layer to be mixed in advance when preparing the catalyst ink (slurry) described in detail below. By adjusting, it can be calculated and controlled. Further, the mass (C) of the carrier when the catalyst layer is analyzed to determine the I / C is obtained by subtracting the mass of the catalyst component from the mass of the catalyst. The mass of the catalyst component can be quantified by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP). The proton conductive material mass (I) in the catalyst layer when the catalyst layer is analyzed to determine the I / C is the structure analysis of the proton conductive material by 19 F NMR and the S atom by coulometric titration. It can be quantified by combining the two.

[本発明のアノード触媒層・カソード触媒層の製造方法]
本発明の第1において、カソード触媒層・アノード触媒層は、本発明の所定量の所定の触媒成分が担持された担体(触媒)、プロトン導電性物質および溶剤を含む触媒インクを、転写法などの方法によって製造できる。このようなカソード触媒層・アノード触媒層の製造方法は、特に制限されず、公知の転写方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できるが、例えば、以下のような方法が使用できる。
[Method for producing anode catalyst layer / cathode catalyst layer of the present invention]
In the first aspect of the present invention, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are formed by transferring a catalyst ink containing a carrier (catalyst) carrying a predetermined amount of the predetermined catalyst component of the present invention, a proton conductive material, and a solvent to a transfer method or the like It can be manufactured by the method. The method for producing such a cathode catalyst layer / anode catalyst layer is not particularly limited, and a known transfer method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the following methods can be used.

すなわち、カソード触媒インク・アノード触媒インクをそれぞれ調製する。次に、カソード触媒インク・アノード触媒インク(以下、単に「触媒インク」とも称する)を転写用台紙上にそれぞれ塗布・乾燥して、カソード触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の担体)の種類に応じて適宜選択される。また、溶剤としては、特に制限されず、カソード触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤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、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。   That is, a cathode catalyst ink and an anode catalyst ink are prepared. Next, a cathode catalyst ink and an anode catalyst ink (hereinafter also simply referred to as “catalyst ink”) are respectively applied and dried on a transfer mount to form a cathode catalyst layer. At this time, as the transfer mount, a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink (particularly a carrier such as carbon in the ink) to be used. Moreover, it does not restrict | limit especially as a solvent, The normal solvent used for forming a cathode catalyst layer can be used similarly. Specifically, lower alcohols such as water, cyclohexanol, ethanol, n-propyl alcohol, and 2-propyl alcohol can be used. Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, and a known amount can be used.

触媒インクは、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。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。これは、プロピレングリコール(PG)を使用することにより、触媒インクの沸点が高まり溶媒蒸発速度が小さくなる。例えば、転写法で電解質膜に触媒層を形成する上で、まず膜とは別の転写用台紙上にスクリーンプリンターなどを使用して触媒インクを塗布、乾燥する。この際、触媒インク中にPGを添加することにより、塗布された触媒インク中の溶媒蒸発速度が抑制され、前記乾燥過程後の触媒層にひび割れ(クラック)が生じることを抑制・防止できる。また、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5〜20質量%である。   The catalyst ink may contain a thickener. 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. For example, glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), propylene glycol (PG) and the like can be mentioned. Of these, propylene glycol (PG) is preferably used. The use of propylene glycol (PG) increases the boiling point of the catalyst ink and decreases the solvent evaporation rate. For example, when forming a catalyst layer on an electrolyte membrane by a transfer method, first, a catalyst ink is applied and dried on a transfer mount different from the membrane using a screen printer or the like. At this time, by adding PG to the catalyst ink, the solvent evaporation rate in the applied catalyst ink is suppressed, and it is possible to suppress / prevent the occurrence of cracks in the catalyst layer after the drying process. Further, the amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above-described effects of the present invention, but is preferably 5 with respect to the total mass of the catalyst ink. ˜20 mass%.

また、触媒インクは、撥水性高分子を含んでもよい。撥水性高分子の使用は、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。この際使用できる撥水性高分子は、特に制限されず、公知の撥水性高分子が使用できる。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。また、撥水性高分子を使用する際の、撥水性高分子の添加量は、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0.1〜20質量%である。   Further, the catalyst ink may contain a water repellent polymer. The use of the water-repellent polymer is effective when the catalyst ink cannot be applied well onto the transfer mount. The water-repellent polymer that can be used in this case is not particularly limited, and a known water-repellent polymer can be used. Examples include fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene. It is done. In addition, the amount of the water-repellent polymer added when the water-repellent polymer is used is not particularly limited as long as it is an amount that does not interfere with the above-described effect of the present invention. Is 0.1 to 20% by mass.

触媒インクは、触媒、プロトン導電性物質および溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。   The preparation method of the catalyst ink is not particularly limited as long as the catalyst, the proton conductive material and the solvent, and if necessary, the water-repellent polymer and / or the thickener are appropriately mixed.

また、触媒インクは、上記したようにして混合されたスラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散する、あるいは、この混合スラリーをサンドグラインダー、循環式ボールミル、循環式ビーズミルなどの装置でよく粉砕させた後、減圧脱泡操作を加えることによって作製されることが好ましい。   In addition, the catalyst ink is obtained by dispersing the slurry mixed as described above with an ultrasonic homogenizer, or after thoroughly pulverizing the mixed slurry with an apparatus such as a sand grinder, a circulating ball mill, or a circulating bead mill. It is preferable to prepare by adding a vacuum degassing operation.

また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。   The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied.

上記方法において、それぞれ塗布されたカソード/アノード触媒層の乾燥条件は、各触媒層から溶剤を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、1〜50時間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。   In the above method, the drying conditions of the applied cathode / anode catalyst layer are not particularly limited as long as the solvent can be completely removed from each catalyst layer. Specifically, the coating layer (catalyst layer) of the catalyst ink is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 1 to 50 hours. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained.

このようにして、アノード触媒層・カソード触媒層を製造することができる。   Thus, an anode catalyst layer / cathode catalyst layer can be produced.

[電解質膜]
本発明の電解質膜−電極接合体において、本発明のカソード触媒層と、本発明のアノード触媒層と、の間に電解質膜が配置される。
[Electrolyte membrane]
In the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, an electrolyte membrane is disposed between the cathode catalyst layer of the present invention and the anode catalyst layer of the present invention.

本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置され、本発明のカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置され、本発明のアノード触媒層と、を有する。   The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention is disposed on one side of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane, and is disposed on the other side of the cathode catalyst layer of the present invention and the electrolyte membrane. An anode catalyst layer.

電解質膜としては、特に限定されず、アノード触媒層・カソード触媒層に用いたものと同様のプロトン導電性物質を含む膜が挙げられる。また、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子形固体高分子電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記電解質膜に用いられる高分子電解質と、各触媒層に用いられるプロトン導電性物質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。   The electrolyte membrane is not particularly limited, and examples thereof include a membrane containing a proton conductive material similar to that used for the anode catalyst layer / cathode catalyst layer. In addition, perfluorosulfonic acid membranes represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Company, and ethylene-tetrafluoroethylene copolymer Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes and resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbon polymer resin membranes having sulfonic acid groups, etc. A membrane, a membrane in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the electrolyte membrane and the proton conductive material used for each catalyst layer may be the same or different, but the viewpoint of improving the adhesion between each catalyst layer and the electrolyte membrane Therefore, it is preferable to use the same one.

前記電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.

また、本発明で用いることができる電解質膜としては、上記フッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、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)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。   The electrolyte membrane that can be used in the present invention includes polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) in addition to the above-mentioned fluorine-based polymer electrolyte and membranes made of hydrocarbon resins having sulfonic acid groups. A porous thin film formed from, for example, an electrolyte component such as phosphoric acid or an ionic liquid may be used.

[MEAの製造方法]
カソード触媒層−電解質膜−アノード触媒層(MEA)は、上記の本発明のアノード触媒層および本発明のカソード触媒層によって電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なうことによって製造できる。無論、この製造方法に限定されない。この際、ホットプレス条件は、各触媒層および電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより電解質膜と各触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、カソード触媒層−電解質膜−アノード触媒層の積層体(MEA)を得ることができる。
[MEA production method]
The cathode catalyst layer-electrolyte membrane-anode catalyst layer (MEA) can be produced by sandwiching the electrolyte membrane between the above-described anode catalyst layer of the present invention and the cathode catalyst layer of the present invention and hot-pressing the laminate. Of course, it is not limited to this manufacturing method. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as each catalyst layer and the electrolyte membrane can be joined sufficiently closely, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. It is preferable to carry out at a press pressure of 5 MPa. Thereby, the bondability between the electrolyte membrane and each catalyst layer can be enhanced. After performing the hot press, a laminate (MEA) of cathode catalyst layer-electrolyte membrane-anode catalyst layer can be obtained by peeling off the transfer mount.

なお、本発明のMEAは、下記に詳述されるようにガス拡散層をさらに有しているとよい。この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がした、あるいは上記で作製された積層体(MEA)をさらにガス拡散層で挟持することによって、さらに各触媒層に接合することが好ましい。または、触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して触媒層−ガス拡散層接合体(MEA)を製造した後、上記したのと同様にして、この触媒層−ガス拡散層接合体で電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   Note that the MEA of the present invention preferably further includes a gas diffusion layer as described in detail below. At this time, the gas diffusion layer can be further bonded to each catalyst layer in the above method by peeling off the transfer mount or further sandwiching the laminate (MEA) prepared above with the gas diffusion layer. preferable. Alternatively, a catalyst layer is previously formed on the surface of the gas diffusion layer to produce a catalyst layer-gas diffusion layer assembly (MEA), and then the catalyst layer-gas diffusion layer assembly is used as an electrolyte in the same manner as described above. It is also preferable to sandwich and bond the films by hot pressing.

この際、MEAに用いられるガス拡散層(GDL)としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、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を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、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。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。   At this time, the gas diffusion layer (GDL) used in the MEA is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, conductive and porous materials such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric can be used. The thing which uses the sheet-like material which has quality as a base material etc. are mentioned. 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 is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.

各触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、各触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。   The method for forming each catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. Moreover, the formation conditions on the gas diffusion layer surface of each catalyst layer are not particularly limited, and the same conditions as in the past can be applied by the specific formation method as described above.

前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、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。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。   Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.

前記カーボン粒子としては、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一般的なものであればよい。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が好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、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 are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size 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.

前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。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が好ましく用いられる。   Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   In the carbon particle layer, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。   When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.

ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、溶媒中に分散させることによりスラリーを調製する。次に、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。上記方法において、スラリーの調製に使用される溶媒としては、特に制限されない。例えば、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノールやエタノール等のアルコール系溶媒が好ましく使用できる。   When a carbon particle layer is formed on a substrate in the gas diffusion layer, a slurry is prepared by dispersing carbon particles, a water repellent, and the like in a solvent. Next, the slurry may be applied on a substrate and dried, or the slurry may be dried once and pulverized to form a powder, which may be applied onto the gas diffusion layer. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace. In the above method, the solvent used for preparing the slurry is not particularly limited. For example, water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, alcohol solvents such as methanol and ethanol can be preferably used.

なお、触媒層と電解質膜と、および好ましくはガス拡散層を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、触媒層を電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、MEAとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて触媒層を形成し、これを電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。   In addition, the manufacturing method of the joined body including the catalyst layer, the electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the method described above. That is, a method in which catalyst ink is applied and dried on an electrolyte membrane and then hot-pressed to join the catalyst layer to the electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between gas diffusion layers to form MEA; May be applied and dried on the gas diffusion layer to form a catalyst layer, which may be joined to the electrolyte membrane by hot pressing, or any other known technique may be used as appropriate.

<本発明の第2>
本発明の第2は、本発明の第1の電解質膜−電極接合体(MEA)を用いてなる燃料電池である。
<Second of the present invention>
A second aspect of the present invention is a fuel cell using the first electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention.

本発明のMEAを用いることにより、発電性能および耐久性にも優れる信頼性の高い燃料電池を提供することができる。したがって、本発明はまた、本発明の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池を提供するものである。   By using the MEA of the present invention, it is possible to provide a highly reliable fuel cell that is excellent in power generation performance and durability. Therefore, the present invention also provides a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention.

前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. In addition, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell, a micro cell, and the like are used. Examples include a fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。   The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.

前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、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等のゴム材料、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)等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等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。   Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. The thickness of the gas seal portion may be 2 mm to 50 μm, preferably about 1 mm to 100 μm.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

通常の単セルとは異なり複数枚のセルを組み合わせて構成される燃料電池スタックではアノードの水素欠乏が発生し易いので、本発明による耐久性向上の効果を最大限発揮することができる。   Unlike a normal single cell, in a fuel cell stack configured by combining a plurality of cells, hydrogen deficiency of the anode is likely to occur, so that the effect of improving the durability according to the present invention can be maximized.

<本発明の第3>
前記燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。
<Third invention>
The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized. For this reason, the fuel cell of this invention is especially advantageous when this fuel cell is applied to a vehicle from the point of in-vehicle property.

特に、前記高分子電解質形燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体や触媒金属(Ptなど)の腐食が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   In particular, the polymer electrolyte fuel cell is useful as a power source for a mobile body such as an automobile in which a mounting space is limited in addition to a stationary power source. In particular, it is particularly preferable to be used as a power source for a mobile body such as an automobile in which corrosion of a carbon support or a catalytic metal (such as Pt) is likely to occur due to a high output voltage required after a relatively long shutdown.

すなわち、本発明の第3は、本発明の第2の燃料電池をモータ駆動用電源として搭載した、車両である。本発明を車両に搭載する燃料電池スタックに適用することで、定置用の燃料電池スタックとは異なり移動用の燃料電池スタックの方がよりアノードの水素欠乏が発生し易いので、耐久性向上の効果を最大限発揮することができる。   That is, a third aspect of the present invention is a vehicle equipped with the second fuel cell of the present invention as a motor driving power source. By applying the present invention to a fuel cell stack mounted on a vehicle, unlike a stationary fuel cell stack, a moving fuel cell stack is more prone to hydrogen deficiency in the anode, thereby improving durability. To the fullest.

なお、当該車両には、個々の燃料電池セルの異常を検知し異常を対策する装置をさらに具備していると好ましい。   In addition, it is preferable that the vehicle further includes a device that detects an abnormality of each individual fuel cell and measures the abnormality.

異常検知システムとは、例えばセル電圧を検知しておき、他のセルと大きく乖離したり、所定電圧を下回ったりした場合を異常として検知するシステムのことである。燃料電池スタックには複数のセルによって構成されており、異常検知箇所はセル1つずつであってもよいし、複数枚に1つでもよい。異常を検知した場合、電流取り出しを停止したり、燃料供給を増やしたり、燃料欠乏状態を解消する操作を実施したりできる。そのため、異常検知システムおよびその対策が具備されている燃料電池システムにおいては、燃料極の燃料欠乏によるカーボン腐食劣化は最小限に抑えることができる。   An abnormality detection system is a system that detects a cell voltage, for example, and detects a case where the cell voltage greatly deviates from other cells or falls below a predetermined voltage as an abnormality. The fuel cell stack is composed of a plurality of cells, and the number of abnormality detection points may be one cell or one for a plurality of cells. When an abnormality is detected, the current extraction can be stopped, the fuel supply can be increased, or an operation for eliminating the fuel deficiency can be performed. Therefore, in the fuel cell system equipped with the abnormality detection system and the countermeasures thereof, the carbon corrosion deterioration due to the fuel depletion of the fuel electrode can be minimized.

アノードの燃料欠乏は常に発生するものではなく、一時的且つ異常な状態である。そのため、いつどのような状態で発生するか予測するのは困難である。また、予想以上に燃料欠乏頻度が高いことも想定され、その場合せっかくのカーボン腐食耐性向上効果も失われる可能性もある。以上のことから、カーボン腐食耐性向上の効果を最大限、しかも確実に発揮するには、異常検知システムが搭載されていることが最も好ましい。   Anode fuel depletion does not always occur and is a temporary and abnormal condition. Therefore, it is difficult to predict when and in what state. In addition, it is assumed that the frequency of fuel depletion is higher than expected, and in that case, the effect of improving the resistance to carbon corrosion may be lost. From the above, it is most preferable that an abnormality detection system is mounted in order to maximize the effect of improving the carbon corrosion resistance and surely.

なお、かような異常検知システムについては、従来公知のものを使用することができ、例えば、特開2005−100827号公報に記載されているようなものを用いるとよい。異常検知システムを搭載している燃料電池搭載自動車に適用することで、水素欠乏を検知することで水素欠乏を短い時間で対策することができるため、急激なカーボン腐食を起こすことがなくなり、イリジウムを入れた効果が発揮でき、耐久性向上の効果を最大限発揮することができる。   In addition, about such an abnormality detection system, a conventionally well-known thing can be used, for example, what is described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2005-100827 is good to use. By applying it to a fuel cell vehicle equipped with an abnormality detection system, hydrogen deficiency can be detected in a short time by detecting hydrogen deficiency. The effect put in can be demonstrated and the effect of durability improvement can be demonstrated to the maximum.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. The present invention is not limited to these examples.

<実施例1>
1.アノード触媒層の作製
導電性炭素材料としてケッチェンブラック(Ketjenblack International社製 商品名Ketjenblack、BET比表面積=800m/g)にイリジウムを担持して、触媒を得た。なお、イリジウムの平均粒径は5nm、イリジウムの担持率は25.9質量%であった。
<Example 1>
1. Production of Anode Catalyst Layer Iridium was supported on Ketjenblack (trade name Ketjenblack, BET specific surface area = 800 m 2 / g, manufactured by Ketjenblack International) as a conductive carbon material to obtain a catalyst. The average particle diameter of iridium was 5 nm, and the iridium loading rate was 25.9% by mass.

この触媒5gに対して、15倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、10倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、触媒の炭素成分質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0とした。得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを2回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、白金量が0mg/cm(つまり、白金を添加しない)およびイリジウム量(イリジウムの平均粒径5nm)が0.1mg/cm(アノード触媒層の厚み:4〜5μm)となるように調整した。こうしてアノード触媒層塗布シートA1を得た。アノード触媒層の厚みを範囲として表記する。 15 g of purified water was added to 5 g of this catalyst, and vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 10 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. Regarding the content of the polymer electrolyte in the solution, the mass ratio of the solid content to the carbon component mass of the catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0. The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in two portions according to the desired thickness and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet has a platinum amount of 0 mg / cm 2 (that is, no platinum added) and an iridium amount (iridium average particle size of 5 nm) of 0.1 mg / cm 2 (anode catalyst layer). The thickness was adjusted to 4 to 5 μm. Thus, an anode catalyst layer coated sheet A1 was obtained. The thickness of the anode catalyst layer is expressed as a range.

2.カソード触媒層の作製
導電性炭素材料としてケッチェンブラック(Ketjenblack International社製 商品名Ketjenblack、BET比表面積=800m/g:Carbon Type 1)に白金を担持した。その後、白金を担持したケッチェンブラックを、95%体積水素−5%体積窒素のガス流通雰囲気下、1000℃で30分間処理して触媒(白金粒子の平均粒径5nm、白金担持率50.1質量%)を得た。このようにして得られた触媒10gに対して、15倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、10倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにDuPont製のDE2020CSを含む溶液(固形分20%の溶液、EW=1,000)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Ionomer/Carbon(I/C比)=0.9/1.0とした。得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを4回に分けて印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、白金量が0.4mg/cm(カソード触媒層の平均厚み11μm)になるように調整した。こうしてカソード触媒層塗布シートB1を得た。
2. Production of Cathode Catalyst Layer Platinum was supported on Ketjenblack (trade name Ketjenblack, product name Ketjenblack, BET specific surface area = 800 m 2 / g: Carbon Type 1) as a conductive carbon material. Thereafter, Ketjen Black carrying platinum was treated at 1000 ° C. for 30 minutes in a gas flow atmosphere of 95% volume hydrogen-5% volume nitrogen to obtain a catalyst (average particle diameter of platinum particles 5 nm, platinum loading rate 50.1). Mass%). 15 g of purified water was added to 10 g of the catalyst thus obtained, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 10 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing DE2020CS manufactured by DuPont (solution with a solid content of 20%, EW = 1,000) was added. The content of the polymer electrolyte in the solution was such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the catalyst was Ionomer / Carbon (I / C ratio) = 0.9 / 1.0. The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. This was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet by screen printing in four portions in an amount corresponding to the desired thickness, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Moreover, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the platinum amount was 0.4 mg / cm 2 (the average thickness of the cathode catalyst layer was 11 μm). Thus, a cathode catalyst layer coated sheet B1 was obtained.

3.MEAの作製
固体高分子電解質膜としてNafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された触媒層(アノード側にアノード触媒層塗布シートA1、カソード側にカソード触媒層塗布シートB1)を重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、0.8MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がして、MEAを得た。
3. Production of MEA Nafion NRE211 (film thickness: 25 μm) as a solid polymer electrolyte membrane and catalyst layer formed on the previously produced polytetrafluoroethylene sheet (anode catalyst layer coated sheet A1 on the anode side, cathode catalyst on the cathode side) Layer coated sheets B1) were overlaid. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Then, it hot-pressed for 10 minutes at 130 degreeC and 0.8 Mpa, peeled only the polytetrafluoroethylene sheet, and obtained MEA.

4.MEAの性能評価
MEAの両面側に、ガス拡散層として市販のミル層付きカーボンペーパ(SGLカーボン社製24BC、大きさ6.0cm×5.5cmに切り出し、カーボンペーパ厚さ200μm)と、ガス流路付きガスセパレータとを各々配置し、さらに金メッキした金属製(銅・鉄等)集電板により挟持して、ガス拡散層をさらに有するMEAを作製し、評価用単位セルとした。
4). Performance evaluation of MEA On both sides of the MEA, a commercially available carbon paper with a mill layer as a gas diffusion layer (24BC manufactured by SGL Carbon, size 6.0 cm × 5.5 cm, carbon paper thickness 200 μm), gas flow An MEA having a gas diffusion layer was prepared by arranging a gas separator with a road and sandwiching it with a metal (copper, iron, etc.) current collector plate plated with gold, and used as an evaluation unit cell.

セル温度を50℃とし、アノードにRH=80%の空気を、カソードにRH=80%の水素を供給した状態で、カソードの電位を基準としてアノードの電位を1Vから2Vに5mV/secの電位上昇速度で走査した。   The cell temperature is 50 ° C., RH = 80% air is supplied to the anode, and RH = 80% hydrogen is supplied to the cathode. The anode potential is 5 mV / sec from 1 V to 2 V with reference to the cathode potential. Scanned at rising speed.

アノードにおいては、水の電気分解反応によって酸素が発生すると同時に、カーボンの腐食反応によって二酸化炭素が発生する。そのため、電流を計測するのみでは前記2つの酸化反応を分離することができないため、電位走査中のアノードから排出されるガスを分析することによって、酸素の増加量から水電解反応量を、二酸化炭素の増加量からカーボン腐食反応量を算出した。以上のような評価を実施することによって、アノード触媒仕様によって水電解反応とカーボン腐食反応がどのように変化するかを知ることができる。   At the anode, oxygen is generated by an electrolysis reaction of water, and at the same time, carbon dioxide is generated by a carbon corrosion reaction. Therefore, since the two oxidation reactions cannot be separated only by measuring the current, by analyzing the gas discharged from the anode during the potential scan, the amount of water electrolysis reaction can be calculated from the amount of increase in oxygen by carbon dioxide. The amount of carbon corrosion reaction was calculated from the amount of increase. By performing the evaluation as described above, it is possible to know how the water electrolysis reaction and the carbon corrosion reaction change depending on the anode catalyst specification.

なお、アノードに空気、カソードに水素を供給し、通常とは逆の制御であるが、これは、意図的に転極させているためである。つまり、アノード側の水電解活性を評価するため、意図的に通常の燃料電池の運転時と反転(転極)させて評価を行っている。従来カソードで電流−電位曲線を取得する測定において、単セルの接続を逆転させて測定を行っている。この評価ではアノード側の電位を正確に測定するために、カソード側に水素を供給しカソードの電位を基準としている。アノードに窒素を供給しても同様の実験ができるが、水電解反応は約1.4V以上において反応するためそれに近い電位から測定開始することによって評価時間を短縮することができる。そのため、ここでは開放電圧が約1Vとなるようにアノードには空気を用いた。   In addition, although air is supplied to the anode and hydrogen is supplied to the cathode, the control is reverse to normal, because this is intentionally reversed. In other words, in order to evaluate the water electrolysis activity on the anode side, the evaluation is intentionally performed by reversing (polarizing) the normal fuel cell operation. In the measurement of obtaining a current-potential curve with a conventional cathode, the measurement is performed by reversing the connection of single cells. In this evaluation, in order to accurately measure the potential on the anode side, hydrogen is supplied to the cathode side and the cathode potential is used as a reference. A similar experiment can be performed by supplying nitrogen to the anode. However, since the water electrolysis reaction is performed at about 1.4 V or more, the evaluation time can be shortened by starting measurement from a potential close to that. Therefore, air was used here for the anode so that the open circuit voltage was about 1V.

まず、水電解反応量についての評価を行う。   First, the water electrolysis reaction amount is evaluated.

<実施例2>
アノード触媒層の作製において、白金量が0.1mg/cmおよびイリジウム量が0.0125mg/cmとなるように調整した以外は、実施例1と同様にMEAの作製を行い、MEAの水電解反応量を測定した。なお、アノード触媒層の厚みは2〜3μmであり、イリジウム(イリジウムの平均粒径5nm)の担持率は5.8質量%であり、白金の平均粒径は5nm、白金の担持率は47.3質量%であった。
<Example 2>
In the preparation of the anode catalyst layer, except that the amount of platinum was adjusted to 0.1 mg / cm 2 and iridium amount is 0.0125 mg / cm 2 performs the generation of similarly MEA as in Example 1, water MEA The amount of electrolytic reaction was measured. The anode catalyst layer has a thickness of 2 to 3 μm, an iridium (iridium average particle diameter of 5 nm) loading ratio of 5.8% by mass, platinum average particle diameter of 5 nm, and platinum loading ratio of 47. It was 3 mass%.

<実施例3>
アノード触媒層の作製において、白金量が0.1mg/cmおよびイリジウム量が0.0333mg/cmとなるように調整した以外は、実施例1と同様にMEAの作製を行い、MEAの水電解反応量を測定した。なお、イリジウム(イリジウムの平均粒径5nm)の担持率は14.2質量%であり、白金(白金の平均粒径は5nm)の担持率は43.1質量%であり、アノード触媒層の厚み2〜3μmであった。
<Example 3>
In the preparation of the anode catalyst layer, except that the amount of platinum was adjusted to 0.1 mg / cm 2 and iridium amount is 0.0333mg / cm 2 performs the generation of similarly MEA as in Example 1, water MEA The amount of electrolytic reaction was measured. The supporting rate of iridium (iridium average particle size 5 nm) is 14.2% by mass, the supporting rate of platinum (platinum average particle size 5 nm) is 43.1% by mass, and the thickness of the anode catalyst layer It was 2-3 micrometers.

<参考例1>
アノード触媒層の作製において、白金量が0.1mg/cmおよびイリジウム量が0mg/cm(つまり、イリジウムを添加しない)となるように調整した以外は、実施例1と同様にMEAの作製を行い、MEAの水電解反応量を測定した。なお、白金(白金の平均粒径は5nm)の担持率は46.3質量%であり、アノード触媒層の厚み2〜3μmであった。
<Reference Example 1>
In the preparation of the anode catalyst layer, the MEA was prepared in the same manner as in Example 1 except that the platinum amount was adjusted to 0.1 mg / cm 2 and the iridium amount was adjusted to 0 mg / cm 2 (that is, iridium was not added). And the amount of water electrolysis reaction of MEA was measured. In addition, the supporting rate of platinum (the average particle diameter of platinum was 5 nm) was 46.3% by mass, and the thickness of the anode catalyst layer was 2 to 3 μm.

図1に、アノードに添加したイリジウム量に対する水電解反応量のグラフを示す。横軸をイリジウム添加量、縦軸を水電解反応電流量とし、アノード電位1.5Vおよび1.6Vにおける値をプロットした。この結果から、イリジウム添加量に対し水電解反応量がほぼ比例関係にあることが分かる。以上の結果から、水電解反応活性支配の電位範囲においてイリジウム添加量と水電解反応が比例するということが推測される。また、白金が水電解反応にほとんど寄与しないことが推測される。   FIG. 1 shows a graph of the amount of water electrolysis reaction with respect to the amount of iridium added to the anode. The horizontal axis is the amount of iridium added, the vertical axis is the amount of water electrolysis reaction current, and the values at anode potentials of 1.5 V and 1.6 V are plotted. From this result, it can be seen that the amount of water electrolysis reaction is almost proportional to the amount of iridium added. From the above results, it is presumed that the amount of iridium added is proportional to the water electrolysis reaction in the potential range governing the water electrolysis reaction activity. Moreover, it is estimated that platinum hardly contributes to water electrolysis reaction.

Figure 0005805924
Figure 0005805924

続いて、カーボン腐食反応量についての評価を行う。より具体的には、カソードに用いられる導電性炭素材料(カーボン)の比表面積のベストモードを探す。   Subsequently, the carbon corrosion reaction amount is evaluated. More specifically, the best mode of the specific surface area of the conductive carbon material (carbon) used for the cathode is searched.

<参考例2>
参考例1と同様にMEAの作製を行い、MEAのカーボン腐食反応量を算出した。
<Reference Example 2>
MEA was produced in the same manner as in Reference Example 1, and the carbon corrosion reaction amount of MEA was calculated.

<参考例3>
カソード触媒層における導電性炭素材料として、アセチレンブラック(電気化学工業社製、BET比表面積=250m/g Carbon Type 2)を用いた以外は、参考例2と同様にMEAのカーボン腐食反応量を算出した。
<Reference Example 3>
Similar to Reference Example 2, the amount of carbon corrosion reaction of MEA was determined in the same manner as in Reference Example 2 except that acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., BET specific surface area = 250 m 2 / g Carbon Type 2) was used as the conductive carbon material in the cathode catalyst layer. Calculated.

<参考例4>
カソード触媒層における導電性炭素材料として、ケッチェンブラック(Ketjenblack International社製 商品名Ketjenblack、BET比表面積=800m/g)を不活性雰囲気下で熱処理(2000〜2500℃)したもの(BET比表面積=125m/g:Carbon Type 3)を用いた以外は、参考例2と同様にMEAのカーボン腐食反応量を算出した。
<Reference Example 4>
As a conductive carbon material in the cathode catalyst layer, Ketjen Black (trade name Ketjenblack manufactured by Ketjenblack International, BET specific surface area = 800 m 2 / g) is heat-treated (2000-2500 ° C.) in an inert atmosphere (BET specific surface area) = 125 m 2 / g: Carbon Type 3) The amount of MEA carbon corrosion reaction was calculated in the same manner as in Reference Example 2 except that Carbon Type 3) was used.

Figure 0005805924
Figure 0005805924

図2に、カソード触媒層におけるカーボンの比表面積を変えた際の腐食量を示す。図2から明らかなように、電位が上昇すると共に、カーボン腐食量は増大する。導電性炭素材料の種類によって電位に曝される表面積が異なるなどしてカーボン腐食反応電流量が大きく異なることが分かる。なお、カーボン腐食量は、触媒成分の種類・量に関らず、カーボン周辺の含水量および電位が一定であれば決まる値である。これにより、カソードで用いるカーボンの比表面積は250m/gが好ましいことがわかる。 FIG. 2 shows the amount of corrosion when the specific surface area of carbon in the cathode catalyst layer is changed. As is clear from FIG. 2, the carbon corrosion amount increases as the potential increases. It can be seen that the amount of carbon corrosion reaction current varies greatly depending on the type of conductive carbon material, for example, the surface area exposed to potential varies. The carbon corrosion amount is a value determined if the water content and potential around the carbon are constant regardless of the type and amount of the catalyst component. This shows that the specific surface area of carbon used in the cathode is preferably 250 m 2 / g.

続いて、図3および図4(図3の尺を変えた図である)ならびに図5の説明を行う。   Subsequently, FIG. 3 and FIG. 4 (a diagram in which the scale of FIG. 3 is changed) and FIG. 5 will be described.

図3〜5は、図1および2から導き出すことができる。上記の通り、図1から、水電解活性はイリジウム添加量に比例すると仮定した。その仮定に基づいて、図1から、100mA/cm(200mA/cm)における水電解反応量からアノード電位を導き出し、各アノード電位からカーボン腐食反応量を導き出した。そのことによって、イリジウム添加量に対するカーボン腐食反応量を導き出すことができる(図3〜図5)。 3-5 can be derived from FIGS. As described above, from FIG. 1, it was assumed that the water electrolysis activity was proportional to the amount of iridium added. Based on this assumption, the anode potential was derived from the water electrolysis reaction amount at 100 mA / cm 2 (200 mA / cm 2 ), and the carbon corrosion reaction amount was derived from each anode potential from FIG. Thereby, the carbon corrosion reaction amount with respect to the iridium addition amount can be derived (FIGS. 3 to 5).

具体的には、図1から特定の水電解反応量(例えば、100mA/cm)における電位(例えば、1.6V)と、その際に添加されたイリジウム量(例えば、約0.03mg/cm)が導き出せる。一方で、図2から、各アノード電位(例えば、1.6V)における各カーボン腐食反応量が導き出せる。これらの相関関係に基づいて、図3および図4が導き出せる(図3および4は、100mA/cmにおける水電解反応量からカーボン腐食量を算出した)。 Specifically, from FIG. 1, the potential (for example, 1.6 V) at a specific water electrolysis reaction amount (for example, 100 mA / cm 2 ) and the amount of iridium added at that time (for example, about 0.03 mg / cm 2). 2 ) can be derived. On the other hand, each carbon corrosion reaction amount at each anode potential (for example, 1.6 V) can be derived from FIG. Based on these correlations, FIGS. 3 and 4 can be derived (in FIGS. 3 and 4, the amount of carbon corrosion was calculated from the amount of water electrolysis at 100 mA / cm 2 ).

図3および図4から明らかな通り、イリジウムの添加量(mg/cm)を増やすほどカーボン腐食量(mA/cm)が抑制されることが分かる。カーボン腐食量(mA/cm)は、アノード触媒層における導電性炭素材料の種類によって大きく異なり、その結果、耐久性も大きく変わることになる。ただ、導電性炭素材料の種類としていずれのものを用いても、イリジウムの添加量としては、少なくとも0.005mg/cm必要であることが分かる。また、200mA/cmにおける水電解反応量からアノード電位を算出し、それぞれの導電性炭素材料における電位に対するカーボン腐食反応電流量を算出した(図5)。図5から分かる通り、カーボン腐食量が、100mA/cmに比して全体的に増加したが、それは微々たるものであった。この結果から、燃料電池が水素不足の状態で転極状態に陥った際に、アノード側がさらに高電位になったとしても、イリジウムの添加量としては、少なくとも0.005mg/cm必要であることが分かる。 As apparent from FIGS. 3 and 4, it is understood that the carbon corrosion amount (mA / cm 2 ) is suppressed as the amount of iridium added (mg / cm 2 ) is increased. The amount of carbon corrosion (mA / cm 2 ) varies greatly depending on the type of conductive carbon material in the anode catalyst layer, and as a result, the durability varies greatly. However, it can be seen that no matter what kind of conductive carbon material is used, the amount of iridium added is at least 0.005 mg / cm 2 . Further, the anode potential was calculated from the amount of water electrolysis reaction at 200 mA / cm 2, and the amount of carbon corrosion reaction current relative to the potential of each conductive carbon material was calculated (FIG. 5). As can be seen from FIG. 5, the amount of carbon corrosion increased as a whole compared to 100 mA / cm 2 , but it was insignificant. From this result, even when the anode side becomes a higher potential when the fuel cell falls into a reversal state due to hydrogen shortage, the amount of iridium added must be at least 0.005 mg / cm 2. I understand.

続いて、図6に、イリジウム添加量(mg/cm)に対するカーボン腐食抑制率(質量%)の関係を示す。カーボン腐食抑制率は、イリジウムを含まない白金0.1mg/cmを担持したMEAで行った腐食試験で減少した導電性炭素材料量とイリジウムを含んだMEAで行った腐食試験で減少した導電性炭素材料量の差をイリジウムを含まない白金0.1mg/cmを担持したMEAで行った腐食試験で減少した導電性炭素材料量で割った値に、100を掛けた値である。この値は、イリジウムを添加することによるカーボン腐食抑制効果を示す指標である。 Next, FIG. 6 shows the relationship of the carbon corrosion inhibition rate (mass%) with respect to the iridium addition amount (mg / cm 2 ). Carbon corrosion inhibition rate is reduced in the amount of conductive carbon material in the corrosion test conducted with MEA supporting 0.1 mg / cm 2 of platinum containing no iridium and the conductivity reduced in the corrosion test conducted with MEA containing iridium. The value obtained by dividing the difference in the amount of the carbon material by the amount of the conductive carbon material decreased in the corrosion test performed by the MEA supporting 0.1 mg / cm 2 of platinum not containing iridium is multiplied by 100. This value is an index showing the effect of suppressing carbon corrosion by adding iridium.

イリジウムが添加されることで、アノードにかかる電位は抑制される。アノードにかかる電位が抑制されることによって、カーボン腐食が抑制される。図6から明らかな通り、イリジウムの添加量が僅かであったとしてもカーボン腐食は大きく抑制されることが分かる。一方で、1.0mg/cmを超えてからはカーボン腐食を抑制する効果は、殆ど上昇しないことが分かる。 By adding iridium, the potential applied to the anode is suppressed. By suppressing the potential applied to the anode, carbon corrosion is suppressed. As can be seen from FIG. 6, even when the amount of iridium added is small, carbon corrosion is greatly suppressed. On the other hand, it can be seen that the effect of suppressing carbon corrosion hardly increases after exceeding 1.0 mg / cm 2 .

続いて、アノード触媒層に添加するイリジウム量に対する発電性能についての測定を行う。   Subsequently, the power generation performance with respect to the amount of iridium added to the anode catalyst layer is measured.

<実施例4>
アノード触媒層の作製において、白金量が0mg/cmおよびイリジウム量が0.005mg/cm(アノード触媒層の厚み:〜1μm)となるように調整した以外は、実施例1と同様にMEAを作製し、評価用単位セルとした。
<Example 4>
In the preparation of the anode catalyst layer, the MEA was the same as in Example 1 except that the platinum amount was adjusted to 0 mg / cm 2 and the iridium amount was adjusted to 0.005 mg / cm 2 (anode catalyst layer thickness: ˜1 μm). Was made into a unit cell for evaluation.

評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として酸素を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素ガス温度は80℃および相対湿度80%、空気ガス温度は80℃および相対湿度80%、セル温度は80℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は10%とした。この条件下で、電流密度1A/cmで発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。なお、セル電圧は1A/cmのときの固体高分子電解質膜抵抗値を補正した値である。 In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and oxygen was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, the hydrogen gas temperature was set to 80 ° C. and relative humidity 80%, the air gas temperature was set to 80 ° C. and relative humidity 80%, and the cell temperature was set to 80 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 10%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage. The cell voltage is a value obtained by correcting the solid polymer electrolyte membrane resistance value at 1 A / cm 2 .

<実施例5>
イリジウム量が0.01mg/cm(アノード触媒層の厚み:〜1μm)となるように調整した以外は、実施例4と同様に発電性能評価を行った。
<Example 5>
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 4 except that the amount of iridium was adjusted to 0.01 mg / cm 2 (the thickness of the anode catalyst layer: ˜1 μm).

<実施例6>
イリジウム量が0.018mg/cm(アノード触媒層の厚み:〜1μm)となるように調整した以外は、実施例4と同様に発電性能評価を行った。
<Example 6>
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 4 except that the amount of iridium was adjusted to 0.018 mg / cm 2 (the thickness of the anode catalyst layer: ˜1 μm).

<実施例7>
イリジウム量が0.023mg/cm(アノード触媒層の厚み:〜1μm)となるように調整した以外は、実施例4と同様に発電性能評価を行った。
<Example 7>
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 4 except that the amount of iridium was adjusted to 0.023 mg / cm 2 (the thickness of the anode catalyst layer: ˜1 μm).

<実施例8>
イリジウム量が0.054mg/cm(アノード触媒層の厚み:1〜2μm)となるように調整した以外は、実施例4と同様に発電性能評価を行った。
<Example 8>
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 4 except that the amount of iridium was adjusted to 0.054 mg / cm 2 (the thickness of the anode catalyst layer: 1 to 2 μm).

<参考例5>
アノード触媒層の作製において、白金量が0.05mg/cmおよびイリジウム量が0mg/cm(アノード触媒層の厚み:1〜2μm)となるように調整した以外は、実施例2と同様にMEAを作製し、評価用単位セルとし、評価を行った。
<Reference Example 5>
In the preparation of the anode catalyst layer, the same procedure as in Example 2 was performed except that the platinum amount was adjusted to 0.05 mg / cm 2 and the iridium amount was 0 mg / cm 2 (anode catalyst layer thickness: 1 to 2 μm). An MEA was produced and evaluated as a unit cell for evaluation.

Figure 0005805924
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図7の結果から、発電性能を有意に向上させることを鑑みると、イリジウムは、0.01mg/cm以上添加されていると特に好ましいことが分かる。また、触媒成分がイリジウムである場合と、白金である場合とは、同様のセル電圧であることが分かる。なお、イリジウムは、0.1mg/cm以下であることが好ましい。0.1mg/cm以下が好ましいのは、そのことによって、アノード触媒層の厚みを所定値以下にすることができ、プロトン移動抵抗を低下させ、ガス拡散性を維持することができ、高いカーボン腐食耐性を持ったまま発電性能を高めることができるからである。 From the results shown in FIG. 7, it is understood that iridium is particularly preferably added in an amount of 0.01 mg / cm 2 or more in view of significantly improving the power generation performance. Moreover, it turns out that the case where a catalyst component is iridium and the case where it is platinum are the same cell voltages. Note that iridium is preferably 0.1 mg / cm 2 or less. 0.1 mg / cm 2 or less is preferable because the thickness of the anode catalyst layer can be reduced to a predetermined value or less, proton transfer resistance can be reduced, gas diffusibility can be maintained, and high carbon This is because the power generation performance can be improved while maintaining corrosion resistance.

次に、アノード触媒層の厚みに対する発電性能評価を行う。   Next, power generation performance is evaluated with respect to the thickness of the anode catalyst layer.

<参考例6>
アノード触媒層における導電性炭素材料として、導電性炭素材料としてケッチェンブラック(Ketjenblack International社製 商品名Ketjenblack、BET比表面積=800m/g)を不活性雰囲気下で熱処理(2000〜2500℃)したもの(BET比表面積=125m/g:Carbon Type(3))を用いた。
<Reference Example 6>
As the conductive carbon material in the anode catalyst layer, ketjen black (Ketjenblack International product name Ketjenblack, BET specific surface area = 800 m 2 / g) was heat-treated (2000-2500 ° C.) under an inert atmosphere. (BET specific surface area = 125 m 2 / g: Carbon Type (3)) was used.

アノード触媒層の作製において、白金量が0.1mg/cmおよびイリジウム量が0mg/cm(つまり添加しない)とし、アノード触媒層の厚みを1〜2μm、白金の担持率50質量%となるように調整した以外は、実施例1と同様にMEAの作製を行い、評価用単位セルとした。 In the preparation of the anode catalyst layer, the platinum amount is 0.1 mg / cm 2 and the iridium amount is 0 mg / cm 2 (that is, not added), the anode catalyst layer thickness is 1 to 2 μm, and the platinum loading is 50 mass%. Except for the adjustment, the MEA was produced in the same manner as in Example 1 to obtain a unit cell for evaluation.

評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として酸素を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素ガス温度は80℃および相対湿度80%、空気ガス温度は80℃および相対湿度80%、セル温度は80℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は10%とした。この条件下で、電流密度1A/cmで発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。なお、セル電圧は1A/cmのときの固体高分子電解質膜抵抗値を補正した値である。 In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and oxygen was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, the hydrogen gas temperature was set to 80 ° C. and relative humidity 80%, the air gas temperature was set to 80 ° C. and relative humidity 80%, and the cell temperature was set to 80 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 10%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage. The cell voltage is a value obtained by correcting the solid polymer electrolyte membrane resistance value at 1 A / cm 2 .

<参考例7>
アノード触媒層の厚みを4〜5μm、白金担持率30%となるように調整した以外は、参考例6と同様に発電性能評価を行った。
<Reference Example 7>
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Reference Example 6 except that the thickness of the anode catalyst layer was adjusted to 4 to 5 μm and the platinum loading rate was 30%.

<参考例8>
アノード触媒層の厚みを8〜9μm、白金担持率20%となるように調整した以外は、参考例6と同様に発電性能評価を行った。
<Reference Example 8>
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Reference Example 6 except that the anode catalyst layer was adjusted to have a thickness of 8 to 9 μm and a platinum loading rate of 20%.

<参考例9>
アノード触媒層の厚みを42〜43μm、白金担持率5%となるように調整した以外は、参考例6と同様に発電性能評価を行った。
<Reference Example 9>
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Reference Example 6 except that the anode catalyst layer was adjusted to have a thickness of 42 to 43 μm and a platinum loading rate of 5%.

Figure 0005805924
Figure 0005805924

図8の結果から、発電性能を維持させることを鑑みると、アノード触媒層は6μm以下であることが特に好ましいことが分かる。   From the result of FIG. 8, it is found that the anode catalyst layer is particularly preferably 6 μm or less in view of maintaining the power generation performance.

続いて、図9に、触媒塗布面積あたりのイリジウムの添加量に対する、アノード触媒層を構成する各導電性炭素材料使用量当たりのカーボン腐食電流(A/g)を示す。図9も、図3〜図5から必然的に導き出すことができる。図3〜図5からカーボン腐食反応量(電流密度(mA/cm))を導き出すことができる。そして、アノード触媒層を作製するのに使用された導電性炭素材料の質量(g)は、イリジウムの量(mg/cm)とイリジウムの担持率(%)から計算で導き出すことができる。その結果から、導電性炭素材料の使用量あたりのカーボン腐食電流(A/g)を導出することができる。 Next, FIG. 9 shows the carbon corrosion current (A / g) per use amount of each conductive carbon material constituting the anode catalyst layer with respect to the addition amount of iridium per catalyst application area. FIG. 9 can also be necessarily derived from FIGS. The carbon corrosion reaction amount (current density (mA / cm 2 )) can be derived from FIGS. The mass (g) of the conductive carbon material used to produce the anode catalyst layer can be calculated from the amount of iridium (mg / cm 2 ) and the iridium loading (%). From the result, the carbon corrosion current (A / g) per use amount of the conductive carbon material can be derived.

上記も述べたが、12A/g以下とすることによって、耐久性を十分に得ることができる。つまり、確実にアノードカーボン腐食量を低く抑えることができるため、アノード触媒層を構成する導電性炭素材料をより適切に選択できる。よって、アノード触媒層を構成する導電性炭素材料の種類、その添加量を適切なものとすることができ、十分な耐久性を得ることができる。このデータから「12A/g以下」との観点で考えた場合、導電性炭素材料の種類によって、それを達成するためのイリジウムの添加量を選択することが好ましい。つまり、十分な耐久性を得るために必要な導電性炭素材料の使用量あたりのカーボン腐食電流12A/g以下を得るには、カーボン腐食耐性の低いCarbon type(1)ではイリジウム量が約0.1mg/cm以上が好ましく、Carbon type(2)ではイリジウム量が約0.05mg/cm以上が好ましく、カーボン腐食耐性の高いCarbon type(3)ではイリジウム量が約0.02mg/cm以上が好ましいことが分かる。なお、この値はアノードに触媒としてイリジウムのみを添加した場合について示したが、白金を入れてもその値は大きく変化しないため、イリジウムと白金を添加する場合においてもイリジウム量は上記の値のままでよい。 As described above, the durability can be sufficiently obtained by setting it to 12 A / g or less. That is, since the amount of anode carbon corrosion can be reliably reduced, the conductive carbon material constituting the anode catalyst layer can be selected more appropriately. Therefore, the kind of conductive carbon material which comprises an anode catalyst layer, and its addition amount can be made appropriate, and sufficient durability can be obtained. From the viewpoint of “12 A / g or less” from this data, it is preferable to select the amount of iridium added to achieve this, depending on the type of conductive carbon material. That is, in order to obtain a carbon corrosion current of 12 A / g or less per use amount of the conductive carbon material necessary for obtaining sufficient durability, the carbon type (1) having a low carbon corrosion resistance has an iridium content of about 0.8. 1 mg / cm 2 or more is preferable. In Carbon type (2), the amount of iridium is preferably about 0.05 mg / cm 2 or more. In Carbon type (3) having high carbon corrosion resistance, the amount of iridium is about 0.02 mg / cm 2 or more. It turns out that is preferable. This value is shown for the case where only iridium is added as a catalyst to the anode. However, even if platinum is added, the value does not change greatly. Therefore, even when iridium and platinum are added, the amount of iridium remains the above value. It's okay.

なお、上記図8のデータを取得するにはガス分析装置による二酸化炭素計測が必要となる。耐久性を十分得るためにはセル温度50℃における空気雰囲気下の燃料極側の分極曲線(アノードガス:空気RH=80%、カソードガス:水素RH=80%、走査範囲:1V〜2V、走査速度:5mV/sec)を取得した際の水電解反応による電流密度(厳密には測定電流値に水電解反応電流とカーボン腐食反応電流が含まれる)が100mA/cmのときの電位が1.635V以下であることが望ましい。なお、図2に示しているように、カーボン種によって異なるが、1.635V以下にすることでカーボン腐食を効果的に抑制することができる。なお、1.635Vは上記で述べたように、許容されるカーボン腐食量から逆算した値であり、この値以下にするためには少なくともアノード触媒層に添加するイリジウムは0.01mg/cm以上であることが好ましい。 In addition, the carbon dioxide measurement by a gas analyzer is needed in order to acquire the data of the said FIG. In order to obtain sufficient durability, the polarization curve on the fuel electrode side in an air atmosphere at a cell temperature of 50 ° C. (anode gas: air RH = 80%, cathode gas: hydrogen RH = 80%, scanning range: 1 V to 2 V, scanning (Velocity: 5 mV / sec), the potential when the current density due to the water electrolysis reaction (strictly speaking, the measured current value includes the water electrolysis reaction current and the carbon corrosion reaction current) is 100 mA / cm 2 is 1. It is desirable that it is 635V or less. In addition, as shown in FIG. 2, although it changes with carbon types, carbon corrosion can be effectively suppressed by setting it as 1.635V or less. In addition, as described above, 1.635V is a value calculated backward from the allowable carbon corrosion amount. In order to make this value lower than this value, at least iridium added to the anode catalyst layer is 0.01 mg / cm 2 or more. It is preferable that

続いて、図10、図11および図12について、説明を行う。   Next, FIGS. 10, 11 and 12 will be described.

白金およびイリジウムを用いる限りアノードの水素酸化活性(上記で説明した反応(1))は十分に高く大きな差異を生じないため、電流値によらず反応による過電圧はゼロとした。上記で説明した反応(2)、(3)、(4)については所定条件にて電位を変えながら電流を取得することによって分極曲線を得ることができる。これらの結果から起動時のカソードカーボン腐食電位を一義的に簡易的に計算することができる。反応(3)の過電圧を大きくすることによってカソード腐食部の電位上昇を抑制でき、カソードのカーボン腐食反応を抑制することができる。   As long as platinum and iridium are used, the hydrogen oxidation activity of the anode (reaction (1) described above) is sufficiently high and does not cause a large difference, so the overvoltage due to the reaction is zero regardless of the current value. For the reactions (2), (3), and (4) described above, a polarization curve can be obtained by acquiring a current while changing the potential under predetermined conditions. From these results, the cathode carbon corrosion potential at startup can be uniquely and simply calculated. By increasing the overvoltage of the reaction (3), the potential increase in the cathode corrosion portion can be suppressed, and the carbon corrosion reaction of the cathode can be suppressed.

図10に、アノードの触媒担持量に対するカソード腐食電位を示す。触媒はそれぞれ白金、イリジウムが単独で入っているものとして計算した値である。なお、カソードの触媒は白金であり、0.4mg/cmである。アノードに白金を0.1mg/cm以上添加することでカソード腐食電位が高くなることが分かる。一方で、イリジウムを0.4mg/cm以上添加してもカソード腐食電位は高くならないことが分かる。図10の導出方法をより詳しく説明する。上記で説明した反応(1)と反応(2)の電位差が起電力となり、反応(4)と反応(3)の電位差に等しくなるように反応が進む。その際の反応(4)の電位が図9のカソード腐食電位となる。なお、かかるカソード電位に基づいてカソードのカーボン腐食量が図2等から導かれ、図10が導かれる。 FIG. 10 shows the cathodic corrosion potential with respect to the catalyst loading of the anode. The catalyst is a value calculated assuming that platinum and iridium are contained alone. In addition, the catalyst of a cathode is platinum and is 0.4 mg / cm < 2 >. It can be seen that the cathode corrosion potential is increased by adding 0.1 mg / cm 2 or more of platinum to the anode. On the other hand, it can be seen that even when 0.4 mg / cm 2 or more of iridium is added, the cathode corrosion potential does not increase. The derivation method of FIG. 10 will be described in more detail. The potential difference between reaction (1) and reaction (2) described above becomes an electromotive force, and the reaction proceeds so as to be equal to the potential difference between reaction (4) and reaction (3). The potential of reaction (4) at that time becomes the cathode corrosion potential of FIG. Note that the carbon corrosion amount of the cathode is derived from FIG. 2 and the like based on the cathode potential, and FIG. 10 is derived.

図11、図12に、それぞれ、アノードの触媒担持量(イリジウム、白金)に対するカソードカーボン腐食量を示す。図10の腐食電位に基づき、比表面積250m/gのカーボンの腐食量を算出した。 11 and 12 show the amount of cathodic carbon corrosion relative to the amount of catalyst supported on the anode (iridium and platinum), respectively. Based on the corrosion potential of FIG. 10, the corrosion amount of carbon having a specific surface area of 250 m 2 / g was calculated.

これらによると、アノードに添加する触媒量が少ないほどカーボン腐食量が減少することが分かる。図10と同様、白金を0.1mg/cm以上添加することによってカーボン腐食が大きくなるため、起動時のカソードカーボン腐食を抑制するにはアノードに添加する白金量は、0.1mg/cm以下である。 According to these, it can be seen that the smaller the amount of catalyst added to the anode, the lower the amount of carbon corrosion. Similarly to FIG. 10, carbon corrosion increases by adding 0.1 mg / cm 2 or more of platinum. Therefore, the amount of platinum added to the anode is 0.1 mg / cm 2 in order to suppress cathode carbon corrosion at the time of start-up. It is as follows.

上記も述べたが、上記反応(3)において、100mA/cmにおける電位が低ければ低いほどカソード腐食部の電位は低くなりカーボン腐食を抑制することができる。この反応活性が低ければカーボン腐食を抑制することができる。以上を鑑みると、100mA/cmにおける電位が0.5V以下であればカソード腐食部電位を1.3V程度に抑えることができ、比表面積の高いカーボンを用いても腐食量は小さく、性能低下を効果的に抑えることができる。 As described above, in the above reaction (3), the lower the potential at 100 mA / cm 2, the lower the potential of the cathode corroded portion and the more the carbon corrosion can be suppressed. If this reaction activity is low, carbon corrosion can be suppressed. In view of the above, if the potential at 100 mA / cm 2 is 0.5 V or less, the cathode corrosion portion potential can be suppressed to about 1.3 V, and even if carbon having a high specific surface area is used, the amount of corrosion is small and the performance is degraded. Can be effectively suppressed.

Claims (5)

電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置され、導電性炭素材料に触媒成分が担持されてなる触媒を含むカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置され、導電性炭素材料に触媒成分が担持されてなる触媒を含むアノード触媒層と、を有する、電解質膜−電極接合体であって、
前記アノード触媒層の前記触媒成分が、0.005mg/cm以上、0.0333mg/cm以下のイリジウムおよび0mg/cmより大きく、0.1mg/cm以下の白金を含有し、
前記アノード触媒層の厚みが、3μm以下であり、
前記アノード触媒層における前記触媒成分の前記導電性炭素材料への担持率が、30〜60質量%であり、
前記カソード触媒層が、少なくとも、前記導電性炭素材料に担持されてなる白金を含有する、電解質膜−電極接合体。
An electrolyte membrane, a cathode catalyst layer including a catalyst disposed on one side of the electrolyte membrane and having a catalyst component supported on the conductive carbon material, and a conductive carbon material disposed on the other side of the electrolyte membrane. An anode catalyst layer containing a catalyst having a catalyst component supported thereon, and an electrolyte membrane-electrode assembly,
The catalyst component of the anode catalyst layer, 0.005 mg / cm 2 or more, 0.0333mg / cm 2 or less of iridium and greater than 0 mg / cm 2, containing 0.1 mg / cm 2 or less of platinum,
The anode catalyst layer has a thickness of 3 μm or less;
The loading ratio of the catalyst component to the conductive carbon material in the anode catalyst layer is 30 to 60% by mass,
The electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the cathode catalyst layer contains at least platinum supported on the conductive carbon material.
前記アノード触媒層の厚みが、1μm以下である、請求項1に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the anode catalyst layer has a thickness of 1 μm or less. 前記カソード触媒層において、前記導電性炭素材料の比表面積が、250m/g以上である、請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。 3. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein a specific surface area of the conductive carbon material is 250 m 2 / g or more in the cathode catalyst layer. 前記アノード触媒層が、前記導電性炭素材料に担持されてなる、イリジウムおよび白金を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the anode catalyst layer contains iridium and platinum supported on the conductive carbon material. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体を用いてなる、燃料電池。   A fuel cell comprising the electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 4.
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