JP2006338940A - Electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜−電極接合体(MEA)に関し、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.
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、固体高分子型燃料電池は、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。 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.
固体高分子型燃料電池の構成は、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、高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものである。また、水素含有ガスなどの燃料および酸化剤ガスが相互に混合するのを防止するために、MEAのエッジ領域をシールすることが行われている(特許文献1および2)。 In general, the polymer electrolyte fuel cell 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 obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers. Further, in order to prevent a fuel such as a hydrogen-containing gas and an oxidant gas from mixing with each other, the edge region of the MEA is sealed (Patent Documents 1 and 2).
上記したようなMEAを有する固体高分子型燃料電池では、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(2H2→4H++4e−)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極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(O2+4H++4e−→2H2O)。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。
このような固体高分子型燃料電池では、従来様々な問題があった。例えば、アイドル停止(OCV:Open Circuit Voltage)状態における電解質膜の劣化の問題がある。この劣化メカニズムを図1を参照しながら説明する。 Conventionally, such a polymer electrolyte fuel cell has various problems. For example, there is a problem of deterioration of the electrolyte membrane in an idle stop (OCV: Open Circuit Voltage) state. This deterioration mechanism will be described with reference to FIG.
すなわち、電解質膜は完全にガスを遮断(不透過状態)するものではないため、酸化剤ガスや燃料の濃度勾配(分圧)によっては、アノード側からカソード側に向かって水素が、カソード側からアノード側に向かって酸素が、僅かながら透過(溶解拡散)している(このような現象を「クロスリーク」とも称する)。特にOCV時は、カソードと電解質膜の界面における酸素濃度は、発電時に比べて高いため、電解質膜を介してカソード側からアノード側へ溶解拡散する酸素量も、発電時に比べて多くなる。このため、クロスリークにより酸素がカソード側からアノード側へ移行して、酸素がアノード側で水素と直接反応して、H2+O2→H2O2の反応が起こって、過酸化水素(H2O2)が生成し、また、水素がアノード側からカソード側へ移行して、水素がカソード側で酸素と直接反応して、同様にして過酸化水素が生成する。 That is, since the electrolyte membrane does not completely block the gas (impermeability state), depending on the concentration gradient (partial pressure) of the oxidant gas or fuel, hydrogen flows from the anode side to the cathode side, Oxygen slightly permeates (dissolves and diffuses) toward the anode side (this phenomenon is also referred to as “cross leak”). In particular, at the time of OCV, the oxygen concentration at the interface between the cathode and the electrolyte membrane is higher than that at the time of power generation. Therefore, the amount of oxygen that dissolves and diffuses from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane is also larger than at the time of power generation. For this reason, oxygen moves from the cathode side to the anode side due to cross leak, and oxygen reacts directly with hydrogen on the anode side, causing a reaction of H 2 + O 2 → H 2 O 2 , resulting in hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated, hydrogen is transferred from the anode side to the cathode side, and hydrogen directly reacts with oxygen on the cathode side to similarly generate hydrogen peroxide.
この過酸化水素は、電解質膜またはアノード若しくはカソードに含まれる電解質成分(アイオノマー)を分解して、電解質膜を化学的に劣化させる。 The hydrogen peroxide decomposes the electrolyte component (ionomer) contained in the electrolyte membrane or the anode or cathode, and chemically degrades the electrolyte membrane.
上記問題は、比較的最近提起されたものであり、現在、解決手段が強く望まれているものの、有効な解決手段が見出されていない。したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、OCV保持時の電解質膜の分解を有効に抑制できる電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。 The above-mentioned problem has been raised relatively recently. Currently, although a solution is strongly desired, no effective solution has been found. Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly that can effectively suppress decomposition of the electrolyte membrane during OCV holding.
本発明者らは、上記目的を達成するため、対極からクロスリークしてきた酸化剤ガスがアノード触媒層内に拡散する、および/または、対極からクロスリークしてきた燃料がカソード触媒層内に拡散する、のを抑制することを目的として、高分子電解質膜と触媒層との間に、さらに第二の触媒層を設けることにより、触媒層内に拡散するクロスリークガス濃度を低減させることが可能となり過酸化水素の生成を抑制することができることが判明した。さらに、高分子電解質膜表面にカソード触媒層の端部にガスの透過を防止するためのガスケット層を形成することにより、カソード側からアノード側へクロスリークする酸化剤ガス量を低減させることができ、アノード触媒層における過酸化水素の生成をより効果的に抑制することが可能となることが判明した。これらの知見に基づいて、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above object, the present inventors diffuse the oxidant gas that has cross-leaked from the counter electrode into the anode catalyst layer and / or the fuel that has cross-leaked from the counter electrode diffuse into the cathode catalyst layer. In order to suppress this, it is possible to reduce the concentration of cross leak gas diffused in the catalyst layer by providing a second catalyst layer between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. It has been found that the production of hydrogen peroxide can be suppressed. Furthermore, by forming a gasket layer on the polymer electrolyte membrane surface to prevent gas permeation at the end of the cathode catalyst layer, the amount of oxidant gas that cross leaks from the cathode side to the anode side can be reduced. It has been found that the production of hydrogen peroxide in the anode catalyst layer can be more effectively suppressed. Based on these findings, the present invention has been completed.
すなわち、上記目的は、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の側に配置された、第一のカソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の側に配置された、第一のアノード触媒層と、
前記第一のカソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、を有する電解質膜−電極接合体において、
前記高分子電解質膜と前記第一のカソード触媒層に挟持されてなる第二のカソード触媒層、および/または、
前記高分子電解質膜と前記第一のアノード触媒層に挟持されてなる第二のアノード触媒層を有する、電解質膜−電極接合体によって達成される。
That is, the object is to provide a polymer electrolyte membrane,
A first cathode catalyst layer disposed on one side of the polymer electrolyte membrane;
A first anode catalyst layer disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane;
An electrolyte membrane-electrode assembly having a first gasket layer formed on at least a part of an end of the first cathode catalyst layer,
A second cathode catalyst layer sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the first cathode catalyst layer, and / or
This is achieved by an electrolyte membrane-electrode assembly having a second anode catalyst layer sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the first anode catalyst layer.
本発明の電解質膜−電極接合体は、OCV保持時の電解質膜の分解が有効に防止/抑制できる。また、第一のアノード触媒層および/または第二のアノード触媒層の有効面積が、第一のカソード触媒層および/または第二のカソード触媒層の有効面積よりも大きくなるように形成することで、起動停止/連続運転時の性能をより長期間維持できる。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can effectively prevent / suppress the decomposition of the electrolyte membrane during OCV holding. Further, the effective area of the first anode catalyst layer and / or the second anode catalyst layer is formed so as to be larger than the effective area of the first cathode catalyst layer and / or the second cathode catalyst layer. The performance during start / stop / continuous operation can be maintained for a longer period of time.
本発明は、上述した通り、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の側に配置された、第一のカソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の側に配置された、第一のアノード触媒層と、
前記第一のカソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、を有する電解質膜−電極接合体において、
前記高分子電解質膜と前記第一のカソード触媒層に挟持されてなる第二のカソード触媒層、および/または、
前記高分子電解質膜と前記第一のアノード触媒層に挟持されてなる第二のアノード触媒層を有する、電解質膜−電極接合体に関する。
As described above, the present invention provides a polymer electrolyte membrane,
A first cathode catalyst layer disposed on one side of the polymer electrolyte membrane;
A first anode catalyst layer disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane;
An electrolyte membrane-electrode assembly having a first gasket layer formed on at least a part of an end of the first cathode catalyst layer,
A second cathode catalyst layer sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the first cathode catalyst layer, and / or
The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly having a second anode catalyst layer sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the first anode catalyst layer.
以下、本発明の電解質膜−電極接合体を水素含有ガスを燃料として用いた高分子電解質型燃料電池を例にとって説明する。 Hereinafter, the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention will be described taking a polymer electrolyte fuel cell using a hydrogen-containing gas as a fuel as an example.
本発明の電解質膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する)は、対極からのクロスリークガスが発電反応を行う触媒層内へ拡散するのを抑制することを目的として、発電反応を行う触媒層と高分子電解質膜との間に第二の触媒層を有することを特徴とするものである。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention (hereinafter also simply referred to as “MEA”) has a power generation reaction for the purpose of suppressing the diffusion of cross leak gas from the counter electrode into the catalyst layer that performs the power generation reaction. And a second catalyst layer between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.
すなわち、本発明のMEAは、アノード側で、対極であるカソード側からクロスリークしてきた酸化剤ガスを低減させる機能を有する層が、運転(発電)時に2H2→4H++4e−の反応が起こるアノード触媒層と高分子電解質膜との間に形成されてなる構成を有する。このように、酸化剤ガスを低減させる機能を有する層が、高分子電解質膜とアノード触媒層との間に存在することにより、アノード側にクロスリークした酸化剤ガスがアノード触媒層内に拡散するのを抑制することができ、アノード触媒層における過酸化水素の生成を抑制することが可能となる。 That is, in the MEA of the present invention, the layer having a function of reducing the oxidant gas that has cross-leaked from the cathode side that is the counter electrode on the anode side causes a reaction of 2H 2 → 4H + + 4e − during operation (power generation). It has the structure formed between an anode catalyst layer and a polymer electrolyte membrane. As described above, since the layer having the function of reducing the oxidant gas exists between the polymer electrolyte membrane and the anode catalyst layer, the oxidant gas cross-leaked on the anode side diffuses into the anode catalyst layer. It is possible to suppress the generation of hydrogen peroxide in the anode catalyst layer.
なお、本発明において、運転(発電)時に2H2→4H++4e−の反応が主として起こるアノード触媒層を「第一のアノード触媒層」とし、クロスリークした酸化剤ガスを低減させる機能および、前記第一のアノード触媒層で生成した過酸化水素を分解する機能を主として有する層を「第二のアノード触媒層」とする。 In the present invention, the anode catalyst layer in which a reaction of 2H 2 → 4H + + 4e − mainly occurs during operation (power generation) is referred to as a “first anode catalyst layer”, and the function of reducing cross leaked oxidant gas, A layer mainly having a function of decomposing hydrogen peroxide generated in the first anode catalyst layer is referred to as a “second anode catalyst layer”.
また、本発明のMEAは、カソード側で、対極であるアノード側からクロスリークしてきた水素含有ガスなどの燃料を低減させる機能を有する層が、運転(発電)時にO2+4H++4e−→2H2Oの反応が起こるカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成されてなる構成を有する。燃料を低減させる機能を有する層によれば、上述した第二のアノード触媒層と同様にして、カソード触媒層における過酸化水素の生成を抑制することが可能となる。 In the MEA of the present invention, the layer having a function of reducing fuel such as hydrogen-containing gas that has cross-leaked from the anode side, which is the counter electrode, on the cathode side is O 2 + 4H + + 4e − → 2H during operation (power generation). It has a structure formed between a cathode catalyst layer where a 2 O reaction occurs and a polymer electrolyte membrane. According to the layer having the function of reducing the fuel, it is possible to suppress the generation of hydrogen peroxide in the cathode catalyst layer in the same manner as the second anode catalyst layer described above.
なお、本発明において、運転(発電)時にO2+4H++4e−→2H2Oの反応が主として起こるカソード触媒層を「第一のカソード触媒層」とし、燃料および前記第一のアノード触媒層で生成した過酸化水素を分解する機能を主として有する層を「第二のカソード触媒層」とする。 In the present invention, the cathode catalyst layer in which the reaction of O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O mainly occurs during operation (power generation) is referred to as “first cathode catalyst layer”, and the fuel and the first anode catalyst layer A layer mainly having a function of decomposing the generated hydrogen peroxide is referred to as a “second cathode catalyst layer”.
本発明のMEAは、前記第二のアノード触媒層および前記第二のカソード触媒層のうちいずれか一方を有していればよい。しかしながら、クロスリークガスによる過酸化水素の生成はアノード触媒層の方が生じやすいことから、前記第二のアノード触媒層を有することがより好ましく、運転時に酸素還元反応が進行するカソード触媒層の劣化を抑制する観点からは、前記第二のカソード触媒層を有するのが好ましい。また、クロスリークガスによる過酸化水素の生成をより確実に抑制する観点からは、前記第二のアノード触媒層および前記第二のカソード触媒層の双方を有するのが特に好ましい。 The MEA of the present invention only needs to have one of the second anode catalyst layer and the second cathode catalyst layer. However, since the production of hydrogen peroxide by the cross leak gas is more likely to occur in the anode catalyst layer, it is more preferable to have the second anode catalyst layer, and deterioration of the cathode catalyst layer in which the oxygen reduction reaction proceeds during operation. From the viewpoint of suppressing the above, it is preferable to have the second cathode catalyst layer. In addition, it is particularly preferable to have both the second anode catalyst layer and the second cathode catalyst layer from the viewpoint of more reliably suppressing the production of hydrogen peroxide by the cross leak gas.
本発明のMEAでは、上述した第二のアノード触媒層および/または前記第二のカソード触媒層を有することにより、MEAにおける過酸化水素の生成を抑制することが可能となる。これにより、過酸化水素による高分子電解質膜および第一の触媒層に含まれる電解質成分の劣化をより高く防止/抑制することができ、かような電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池は、起動停止/連続運転時及びOCV時の性能をより長期間維持でき、また、燃費もより向上させることができる。 In the MEA of the present invention, it is possible to suppress the production of hydrogen peroxide in the MEA by having the second anode catalyst layer and / or the second cathode catalyst layer described above. Thereby, deterioration of the electrolyte component contained in the polymer electrolyte membrane and the first catalyst layer due to hydrogen peroxide can be prevented / suppressed to a higher degree, and a fuel cell using such an electrolyte membrane-electrode assembly is The performance during start / stop / continuous operation and OCV can be maintained for a longer period of time, and the fuel consumption can be further improved.
さらに、本発明のMEAは、第一のカソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成されたガス不透過性のガスケット層を有する。前記ガスケット層を有することにより、酸化剤ガスがアノード側にクロスリークするのをより確実に抑制でき、MEAに供給する酸化剤ガス量も低減することが可能となり燃費向上にも繋がる。 Furthermore, the MEA of the present invention has a gas-impermeable gasket layer formed on at least a part of the end portion of the first cathode catalyst layer. By having the gasket layer, it is possible to more reliably suppress the oxidant gas from cross-leaking to the anode side, the amount of the oxidant gas supplied to the MEA can be reduced, and fuel efficiency is improved.
なお、本明細書では、カソード触媒層の端部に形成・配置されるガスケット層を、単に「第一のガスケット層」と称する。また、ガスケット層が、第一のカソード触媒層の少なくとも一部に形成されるとは、MEAの厚み方向において第一のカソード触媒層の端部とガスケット層の端部とが重なる部位を有していればよく、第一のカソード触媒層の端部とガスケット層の端部とが重なる部位の間に第二のカソード触媒層が配置されていてもよい。 In the present specification, the gasket layer formed and arranged at the end of the cathode catalyst layer is simply referred to as “first gasket layer”. Further, the gasket layer is formed on at least a part of the first cathode catalyst layer has a portion where the end of the first cathode catalyst layer and the end of the gasket layer overlap in the thickness direction of the MEA. The second cathode catalyst layer may be disposed between the portions where the end of the first cathode catalyst layer and the end of the gasket layer overlap.
第一のガスケット層は、カソード触媒層の端部から外側に向かって高分子電解質膜上に形成される。しかしながら、カソード側からの酸化剤ガスのクロスリーク量の低減を考慮すると、第一のガスケット層が第一のカソード触媒層の端部全域および高分子電解質膜の全周縁部に形成されることが好ましい。 The first gasket layer is formed on the polymer electrolyte membrane from the end of the cathode catalyst layer toward the outside. However, considering the reduction in the amount of cross-leakage of the oxidant gas from the cathode side, the first gasket layer may be formed over the entire end portion of the first cathode catalyst layer and the entire peripheral portion of the polymer electrolyte membrane. preferable.
本発明のMEAにおいて、前記第一のアノード触媒層および/または第二のアノード触媒層の有効面積が、前記第一のカソード触媒層および/または前記第二のカソード触媒層の有効面積よりも大きくなるように形成されているのが好ましい。 In the MEA of the present invention, the effective area of the first anode catalyst layer and / or the second anode catalyst layer is larger than the effective area of the first cathode catalyst layer and / or the second cathode catalyst layer. It is preferable to be formed as follows.
本明細書において、「第一のアノード触媒層の有効面積」とは、第一のアノード触媒層のうち、運転(発電)時に2H2→4H++4e−の反応が起こる領域の面積を意味し、具体的には、後述する第二のガスケット層と重ならない第一のアノード触媒層領域における高分子電解質膜側表面の面積とする。 In the present specification, the “effective area of the first anode catalyst layer” means an area of a region of the first anode catalyst layer in which a reaction of 2H 2 → 4H + + 4e − occurs during operation (power generation). Specifically, it is the area of the polymer electrolyte membrane side surface in the first anode catalyst layer region that does not overlap the second gasket layer described later.
また、本明細書において、「第二のアノード触媒層の有効面積」とは、第二のアノード触媒層のうち、酸化剤ガスを低減または、過酸化水素を分解する機能が起こる領域の面積を意味し、具体的には、後述する第二のガスケット層と重ならない第二のアノード触媒層領域における高分子電解質膜側表面の面積とする。 Further, in this specification, the “effective area of the second anode catalyst layer” refers to the area of the second anode catalyst layer in which the function of reducing the oxidant gas or decomposing hydrogen peroxide occurs. Specifically, it is defined as the area of the polymer electrolyte membrane side surface in the second anode catalyst layer region that does not overlap the second gasket layer described later.
また、本明細書において、「第一のカソード触媒層の有効面積」とは、第一のカソード触媒層のうち、運転(発電)時にO2+4H++4e−→2H2Oの反応が起こる領域の面積を意味し、具体的には、第一のガスケット層と重ならない第一のカソード触媒層領域における高分子電解質膜側表面の面積とする。 Further, in this specification, the “effective area of the first cathode catalyst layer” refers to a region in the first cathode catalyst layer where O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O reaction occurs during operation (power generation). Specifically, the area of the polymer electrolyte membrane side surface in the first cathode catalyst layer region that does not overlap with the first gasket layer.
さらに、本明細書において、「第二のカソード触媒層の有効面積」とは、第二のカソード触媒層のうち、燃料を低減または、過酸化水素を分解する機能が起こる領域の面積を意味し、具体的には、第一のガスケット層と重ならない第二のカソード触媒層領域における高分子電解質膜側表面の面積とする。 Further, in this specification, the “effective area of the second cathode catalyst layer” means an area of a region of the second cathode catalyst layer where a function of reducing fuel or decomposing hydrogen peroxide occurs. Specifically, it is the area of the polymer electrolyte membrane side surface in the second cathode catalyst layer region that does not overlap the first gasket layer.
従来の固体高分子型燃料電池では、アノード触媒層とカソード触媒層との形成位置(電解質膜−電極接合体の厚み方向に対する)が完全に一致せずに位置ずれが生じている場合が多く、アノードが対向しないカソード領域で特にカソード電位と電解質電位との差が大きくなり、アノードが存在する領域(中央部)に比べて、導電性担体であるカーボンの腐食(C+2H2O→CO2+4H++4e−)が起こり、触媒活性の低下が顕著に現れる。 In the conventional polymer electrolyte fuel cell, the position where the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are formed (with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly) is not completely matched, and there are many cases where misalignment occurs. The difference between the cathode potential and the electrolyte potential is particularly large in the cathode region where the anode is not opposed, and the corrosion of the carbon which is the conductive carrier (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + ) compared with the region where the anode exists (center portion). + 4e − ) occurs, and the catalytic activity is significantly reduced.
そこで、本発明では、第一および/または第二のアノード触媒層の有効面積が第一および/または第二のカソード触媒層の有効面積より大きくすることで、第一および/または第二のカソード触媒層においてカソード電位と電解質電位との差が大きい部分を有意に低減できるため、第一および/または第二のカソード触媒層におけるカーボンの腐食が効果的に防止/抑制できる。 Therefore, in the present invention, the effective area of the first and / or second anode catalyst layer is made larger than the effective area of the first and / or second cathode catalyst layer, whereby the first and / or second cathodes are formed. Since a portion where the difference between the cathode potential and the electrolyte potential is large in the catalyst layer can be significantly reduced, corrosion of carbon in the first and / or second cathode catalyst layer can be effectively prevented / suppressed.
また、第一および/または第二のアノード触媒層の有効面積を第一および/または第二のカソード触媒層の有効面積よりも大きくした場合、第一および/または第二のアノード触媒層において高分子電解質膜を介して対向する部位に第一および/または第二のカソード触媒層が存在しない部位が生じる。第一および/または第二のアノード触媒層におけるかような部位では、第一および/または第二のカソード触媒層が存在しないため、カソード側に供給された酸化剤ガスのクロスリーク量が多くなる恐れがある。しかしながら、本発明では、第一および/または第二のカソード触媒層の端部を第一のガスケット層でシールしているため、酸化剤ガスのクロスリークが特に顕著に起こる領域を有意に低減できる。したがって、前記形態を有するMEAは、第一および/または第二のカソード触媒層のみが存在する周囲部がほとんどまたは全く存在せず、第一および/または第二のカソード触媒層端部でのカソードからアノードへの酸化剤ガスのクロスリークがほとんどまたは全く起こらない構造をとることができる。 In addition, when the effective area of the first and / or second anode catalyst layer is larger than the effective area of the first and / or second cathode catalyst layer, the effective area in the first and / or second anode catalyst layer is high. A site where the first and / or second cathode catalyst layers do not exist is formed at a site facing through the molecular electrolyte membrane. In such a part in the first and / or second anode catalyst layer, since the first and / or second cathode catalyst layer does not exist, the cross leak amount of the oxidant gas supplied to the cathode side increases. There is a fear. However, in the present invention, since the end portions of the first and / or second cathode catalyst layers are sealed by the first gasket layer, the region where the oxidant gas cross leak occurs particularly significantly can be significantly reduced. . Therefore, the MEA having the above-described configuration has little or no surrounding portion where only the first and / or second cathode catalyst layer is present, and the cathode at the end of the first and / or second cathode catalyst layer. A structure in which little or no oxidant gas cross-leak from the anode to the anode can occur.
さらに、第一のカソード触媒層の端部に第一のガスケット層が形成されることにより、各触媒層における有効面積を容易にかつ正確に調節できる。すなわち、従来では触媒層インクを塗布する位置などを調整することにより各触媒層の形成位置を調整するのが困難であったが、ガスケット層の配置を調整することにより各触媒層の有効面積を容易にかつ正確に調節できる。従って、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。 Furthermore, by forming the first gasket layer at the end of the first cathode catalyst layer, the effective area in each catalyst layer can be adjusted easily and accurately. That is, conventionally, it has been difficult to adjust the formation position of each catalyst layer by adjusting the position where the catalyst layer ink is applied, but the effective area of each catalyst layer can be reduced by adjusting the arrangement of the gasket layer. Easy and accurate adjustment. Therefore, it is highly desirable when considering industrial mass production.
このように本発明では、第一のアノード触媒層および/または第二のアノード触媒層の有効面積を第一のカソード触媒層および/または第二のカソード触媒層の有効面積よりも大きくするのが好ましいが、第一のアノード触媒層および第二のアノード触媒層の有効面積を第一のカソード触媒層または第二のカソード触媒層の有効面積よりも大きくするのが好ましく、第一のアノード触媒層および第二のアノード触媒層の有効面積を第一および第二のカソード触媒層の有効面積よりも大きくするのが特に好ましい。 Thus, in the present invention, the effective area of the first anode catalyst layer and / or the second anode catalyst layer is set larger than the effective area of the first cathode catalyst layer and / or the second cathode catalyst layer. Preferably, the effective area of the first anode catalyst layer and the second anode catalyst layer is preferably larger than the effective area of the first cathode catalyst layer or the second cathode catalyst layer. It is particularly preferred that the effective area of the second and second anode catalyst layers be greater than the effective area of the first and second cathode catalyst layers.
本発明では、第一のガスケット層を第一のカソード触媒層の端部に形成することを必須の構成要件とするが、前記第一のアノード触媒層の端部の少なくとも一部に、または、前記第一のアノード触媒層の周囲部の少なくとも一部に、第二のガスケット層をさらに有するのが好ましい。アノード触媒層側にもガスケット層を形成することで、有効カソード触媒層と有効アノード触媒層との位置合わせが正確にかつ容易に行なえ、起動停止/連続運転中のカーボン担体の腐食やOCV保持時の電解質膜の分解が有効に防止/抑制できるからである。なお、本明細書では、このアノード触媒層の端部に形成されるガスケット層を、単に「第二のガスケット層」と称する。 In the present invention, it is essential to form the first gasket layer at the end of the first cathode catalyst layer, but at least a part of the end of the first anode catalyst layer, or It is preferable that a second gasket layer is further provided on at least a part of the periphery of the first anode catalyst layer. By forming a gasket layer on the anode catalyst layer side as well, the effective cathode catalyst layer and the effective anode catalyst layer can be aligned accurately and easily, and when the carbon support is corroded or OCV is maintained during start / stop / continuous operation. This is because the decomposition of the electrolyte membrane can be effectively prevented / suppressed. In the present specification, the gasket layer formed at the end of the anode catalyst layer is simply referred to as “second gasket layer”.
ここで、「端部に第二のガスケット層を形成する」とは、第一のアノード触媒層と第二のガスケット層が厚み方向に対して重なることを意味し、他方、「周囲部に第二のガスケット層を形成する」とは、第一のアノード触媒層と第二のガスケット層が厚み方向に対して重ならないことを意味する。また、ガスケット層が、第一のアノード触媒層の端部の少なくとも一部と重なるとは、MEAの厚み方向において第一のアノード触媒層の端部とガスケット層の端部とが重なる部位を有していればよく、第一のアノード触媒層の端部とガスケット層の端部とが重なる部位の間に第二のアノード触媒層が配置されていてもよい。 Here, “to form the second gasket layer at the end” means that the first anode catalyst layer and the second gasket layer overlap with each other in the thickness direction. “To form a second gasket layer” means that the first anode catalyst layer and the second gasket layer do not overlap in the thickness direction. Further, the gasket layer overlaps at least a part of the end portion of the first anode catalyst layer has a portion where the end portion of the first anode catalyst layer and the end portion of the gasket layer overlap in the thickness direction of the MEA. The second anode catalyst layer may be disposed between the portions where the end of the first anode catalyst layer and the end of the gasket layer overlap.
第二のガスケット層は、第一のアノード触媒層の端部から外側に向かって高分子電解質膜上に形成することが望ましい。しかしながら、各触媒層の有効面積の調整の容易さやガス(水素含有ガスや酸化剤ガス)のシール性などを考慮すると、第二のガスケット層が第一のアノード触媒層の端部全域および高分子電解質膜の全周縁部に額縁状に形成されることが好ましい。 The second gasket layer is preferably formed on the polymer electrolyte membrane from the end of the first anode catalyst layer toward the outside. However, considering the ease of adjustment of the effective area of each catalyst layer and the sealing performance of gas (hydrogen-containing gas or oxidant gas), the second gasket layer is formed over the entire end portion of the first anode catalyst layer and the polymer. It is preferable to form a frame shape on the entire peripheral edge of the electrolyte membrane.
本発明のMEAの好ましい形態は、高分子電解質膜のアノード側表面において、周縁部を残した中央部に第一のアノード触媒層が形成され、前記周縁部には第一のアノード触媒層の端部に第二のガスケット層が形成され、さらに、第一のアノード触媒層と高分子電解質膜との間に第二のアノード触媒層が形成されてなる形態が挙げられる。また、高分子電解質膜のカソード側表面において、周縁部を残した中央部に第一のカソード触媒層が形成され、前記周縁部には第一のカソード触媒層の端部に第二のガスケット層が形成され、さらに、第一のカソード触媒層と高分子電解質膜との間に第二のカソード触媒層が形成されてなる形態が挙げられる。 In a preferred embodiment of the MEA of the present invention, on the anode side surface of the polymer electrolyte membrane, a first anode catalyst layer is formed in the central portion leaving the peripheral edge, and the edge of the first anode catalyst layer is formed in the peripheral edge. A form in which a second gasket layer is formed on the part and a second anode catalyst layer is formed between the first anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be mentioned. In addition, a first cathode catalyst layer is formed in the central portion of the polymer electrolyte membrane on the cathode side, leaving a peripheral portion, and a second gasket layer is formed on the peripheral portion at the end of the first cathode catalyst layer. And a second cathode catalyst layer formed between the first cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.
本発明において、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなること好ましい要件であるが、この際、有効アノード触媒層と有効カソード触媒層のMEAの厚み方向に対する位置関係は、特に制限されないが、図2(a)のように、MEAの厚み方向に対して、有効アノード触媒層内に有効カソード触媒層が完全に含まれる場合;または図2(b)のように、MEAの厚み方向に対して、有効カソード触媒層が部分的に有効アノード触媒層内に含まれる場合のいずれであってもよいが、前者の場合がより好ましい。同様にして、各触媒層の位置関係に関しても、特に制限されないが、図2(a)のように、MEAの厚み方向に対して、アノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合;図2(b)のように、MEAの厚み方向に対して、カソード触媒層が部分的にアノード触媒層内に含まれる場合;または図2(c)のように、MEAの厚み方向に対して、カソード触媒層がアノード触媒層と同位置に配置される場合のいずれであってもよいが、カソード触媒層がアノード触媒層と同位置に配置される場合及びアノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合がより好ましく、アノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合が特に好ましい。 In the present invention, it is a preferable requirement that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer. At this time, the positional relationship between the effective anode catalyst layer and the effective cathode catalyst layer in the thickness direction of the MEA is: Although not particularly limited, when the effective cathode catalyst layer is completely included in the effective anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. 2 (a); or as shown in FIG. 2 (b), the MEA The effective cathode catalyst layer may be partially included in the effective anode catalyst layer with respect to the thickness direction, but the former case is more preferable. Similarly, the positional relationship of each catalyst layer is not particularly limited, but when the cathode catalyst layer is completely included in the anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. 2A; When the cathode catalyst layer is partially included in the anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. 2B; or with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. The cathode catalyst layer may be disposed at the same position as the anode catalyst layer. However, when the cathode catalyst layer is disposed at the same position as the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer is disposed in the anode catalyst layer. The case where the cathode catalyst layer is completely included is more preferable, and the case where the cathode catalyst layer is completely included in the anode catalyst layer is particularly preferable.
第二のアノード触媒層は、第一のアノード触媒層と高分子電解質膜との間に形成されるが、第一のアノード触媒層と高分子電解質膜との間において形成される範囲は特に制限されない。すなわち、前記第二のアノード触媒層が、前記第一のアノード触媒層の端部の少なくとも一部に形成されていてもよい。これにより、燃料のクロスリーク量を低減できるとともに、MEA作製時のプレス処理で応力により劣化し易くなる第一のアノード触媒層および高分子電解質膜を補強することが可能となる。 The second anode catalyst layer is formed between the first anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, but the range formed between the first anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane is particularly limited. Not. That is, the second anode catalyst layer may be formed on at least a part of the end of the first anode catalyst layer. As a result, it is possible to reduce the amount of fuel cross leak and to reinforce the first anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane that are likely to be deteriorated by stress in the press treatment during MEA fabrication.
また、第二のカソード触媒層は、第一のカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成されるが、第一のカソード触媒層と高分子電解質膜との間において形成される範囲は特に制限されない。すなわち、第二のカソード触媒層は、第二のアノード触媒層と同様にして、前記第一のカソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成されていてもよい。これにより、酸化剤ガスのクロスリーク量の低減が可能となるとともに、第一のカソード触媒層および高分子電解質膜の補強が可能となる。 The second cathode catalyst layer is formed between the first cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, but the range formed between the first cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane is There is no particular limitation. That is, the second cathode catalyst layer may be formed on at least a part of the end portion of the first cathode catalyst layer in the same manner as the second anode catalyst layer. Thereby, it is possible to reduce the cross leak amount of the oxidant gas, and it is possible to reinforce the first cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.
このように、本発明のMEAの好ましい形態としては、前記第二のカソード触媒層が前記第一のカソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成される、および/または、前記第二のアノード触媒層が前記第一のアノード触媒層の端部の少なくとも一部に形成される形態が挙げられる。 Thus, as a preferred embodiment of the MEA of the present invention, the second cathode catalyst layer is formed on at least a part of the end of the first cathode catalyst layer, and / or the second anode A form in which the catalyst layer is formed on at least a part of the end of the first anode catalyst layer can be mentioned.
しかしながら、MEAにおいて燃料または酸化剤ガスのクロスリーク量をより確実に低減する観点からは、カソードまたはアノード側における第二の触媒層は、第一の触媒層のほぼ全面に渡って設けられているのが特に望ましい。すなわち、前記第二のカソード触媒層が前記第一のカソード触媒層の前記高分子電解質膜側表面全体に形成され、および/または、前記第二のアノード触媒層が前記第一のアノード触媒層前記高分子電解質膜側表面全体に形成されるのが特に望ましい。 However, from the viewpoint of more reliably reducing the cross leak amount of fuel or oxidant gas in the MEA, the second catalyst layer on the cathode or anode side is provided over almost the entire surface of the first catalyst layer. It is particularly desirable. That is, the second cathode catalyst layer is formed on the entire surface of the first cathode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane side, and / or the second anode catalyst layer is formed on the first anode catalyst layer. It is particularly desirable to form the entire surface on the polymer electrolyte membrane side.
本発明のMEAでは、第一のカソード触媒層の端部に第一のガスケット層が形成され、より好ましくはアノード触媒層の端部に第二のガスケット層が形成される形態を有する。これにより、ガス(水素含有ガスや酸化剤ガス)のシール性を向上させることでクロスリークガス量を低減させるだけでなく、各触媒層の有効面積を容易にかつ正確に調節できる。このため、各触媒層の端部が電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して同位置で終結するように、各触媒層を予め正確に位置合わせしなければいけない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。 In the MEA of the present invention, the first gasket layer is formed at the end of the first cathode catalyst layer, and more preferably, the second gasket layer is formed at the end of the anode catalyst layer. Thereby, not only the amount of cross leak gas is reduced by improving the sealing performance of gas (hydrogen-containing gas or oxidant gas), but also the effective area of each catalyst layer can be adjusted easily and accurately. For this reason, it is not necessary to accurately align each catalyst layer in advance so that the end of each catalyst layer terminates at the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. This is highly desirable when considering mass production.
すなわち、第二のカソード触媒層の端部と第二のアノード触媒層の端部は、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、図3に示すようにほぼ同位置で終結していてもよいが、図4〜6に示すように位置がずれていてもよい。このような場合であっても、ガスケット層を、各触媒層が所望の大きさ及び位置関係にあるように、触媒層端部に適宜形成すればよいからである。この際、第二のアノード触媒層の端部が図4および6に示すように電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して第二のカソード触媒層の端部を超えて終結していてもよく、第二のカソード触媒層の端部が図5に示すように電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して第二のアノード触媒層の端部を超えて終結していてもよい。しかしながら、第二のアノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、第二のカソード触媒層の端部を超えて終結することが好ましい。上述したように、本発明では、第二のアノード触媒層の有効面積が第二のカソード触媒層の有効面積より大きいことが好ましいことから、このように第二のカソード触媒層を予め第二のアノード触媒層の大きさより小さくしておくことにより、使用する触媒や電解質の量を少なく抑えられ、また、ガスケット層部分との重複も少なくできるため、経済的に好ましい。 That is, the end portion of the second cathode catalyst layer and the end portion of the second anode catalyst layer are terminated at substantially the same position as shown in FIG. 3 with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. However, the position may be shifted as shown in FIGS. This is because even in such a case, the gasket layer may be appropriately formed at the end of the catalyst layer so that each catalyst layer has a desired size and positional relationship. At this time, even if the end portion of the second anode catalyst layer is terminated beyond the end portion of the second cathode catalyst layer in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly as shown in FIGS. Alternatively, the end of the second cathode catalyst layer may be terminated beyond the end of the second anode catalyst layer in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly as shown in FIG. However, the end of the second anode catalyst layer is preferably terminated beyond the end of the second cathode catalyst layer in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. As described above, in the present invention, since the effective area of the second anode catalyst layer is preferably larger than the effective area of the second cathode catalyst layer, the second cathode catalyst layer is preliminarily attached to the second cathode catalyst layer in this way. By making it smaller than the size of the anode catalyst layer, the amount of catalyst and electrolyte to be used can be kept small, and the overlap with the gasket layer portion can be reduced, which is economically preferable.
また、前記第一のカソード触媒層の端部と前記第二のカソード触媒層の端部とは、前記電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、図3、4、6に示すようにほぼ同位置で終結していてもよく、図5に示すように位置ずれが生じていてもよい。しかしながら、各層を同じ大きさとすることで製造方法の簡略化が可能なことから、前記第一のカソード触媒層の端部と前記第二のカソード触媒層の端部とは、前記電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結しているのが望ましい。 Further, the end portion of the first cathode catalyst layer and the end portion of the second cathode catalyst layer are as shown in FIGS. 3, 4, and 6 with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. It may be terminated at substantially the same position, and a displacement may occur as shown in FIG. However, since the manufacturing method can be simplified by making each layer the same size, the end portion of the first cathode catalyst layer and the end portion of the second cathode catalyst layer are the electrolyte membrane electrode. It is desirable to terminate at substantially the same position with respect to the thickness direction of the joined body.
また、前記第一のアノード触媒層の端部と前記第二のアノード触媒層の端部とは、前記電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、図3〜6に示すようにほぼ同位置で終結していてもよく、位置ずれが生じていてもよい。しかしながら、上記と同様に製造方法の簡略化が可能なことから、前記第一のアノード触媒層の端部と前記第二のアノード触媒層の端部とは、前記電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結しているのが望ましい。 Also, the end of the first anode catalyst layer and the end of the second anode catalyst layer are substantially the same as shown in FIGS. 3 to 6 with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. It may be terminated at a position, or a displacement may occur. However, since the manufacturing method can be simplified in the same manner as described above, the end of the first anode catalyst layer and the end of the second anode catalyst layer have a thickness of the electrolyte membrane-electrode assembly. It is desirable to end at approximately the same position with respect to the direction.
なお、図3〜6は、本発明のMEAの好適な一実施形態を説明するためのものであり、MEAにおける各触媒層端部の模式図である。 3 to 6 are for explaining a preferred embodiment of the MEA of the present invention, and are schematic views of the end portions of the catalyst layers in the MEA.
本発明のMEAは、第一のカソード触媒層の端部の少なくとも一部に第一のガスケット層を有する。このとき、上述した通り、第一のカソード触媒層の端部とガスケット層の端部とが重なる部位の間に第二のカソード触媒層が配置されていてもよい。各層が重なる部位において、第一のカソード触媒層の端部と、第二のカソード触媒層の端部と、第一のガスケット層の端部との位置関係は、カソード触媒層の端部でのガス、特に酸化剤ガスの透過を十分抑制できるような関係であれば特に制限されない。 The MEA of the present invention has a first gasket layer on at least a part of the end of the first cathode catalyst layer. At this time, as described above, the second cathode catalyst layer may be disposed between portions where the end portion of the first cathode catalyst layer and the end portion of the gasket layer overlap. In the part where each layer overlaps, the positional relationship between the end of the first cathode catalyst layer, the end of the second cathode catalyst layer, and the end of the first gasket layer is as follows. There is no particular limitation as long as the permeation of gas, particularly oxidant gas, can be sufficiently suppressed.
例えば、前記第一のガスケット層の端部が、前記第一のカソード触媒層と前記第二のカソード触媒層との間に挿入される、および/または、前記第二のカソード触媒層と前記高分子電解質膜との間に挿入されるなどの位置関係が好ましく使用できる。具体的には、前記第一のガスケット層の端部の全てが、前記第一のカソード触媒層と前記第二のカソード触媒層との間、または、前記第二のカソード触媒層と前記高分子電解質膜との間、に挿入されてもよい。この他にも、前記第一のガスケット層の端部のうちの一部が前記第一のカソード触媒層と前記第二のカソード触媒層との間に挿入され、前記第一のガスケット層の端部のうちの残りの部位が前記第二のカソード触媒層と前記高分子電解質膜との間に挿入されていてもよい。 For example, an end of the first gasket layer is inserted between the first cathode catalyst layer and the second cathode catalyst layer, and / or the second cathode catalyst layer and the height A positional relationship such as insertion between the molecular electrolyte membrane and the like can be preferably used. Specifically, all the end portions of the first gasket layer are formed between the first cathode catalyst layer and the second cathode catalyst layer, or the second cathode catalyst layer and the polymer. It may be inserted between the electrolyte membranes. In addition, a part of the end portion of the first gasket layer is inserted between the first cathode catalyst layer and the second cathode catalyst layer, and an end of the first gasket layer is formed. The remaining part of the part may be inserted between the second cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.
前記第一のガスケット層の端部が前記第一のカソード触媒層の端部上に配置されてもよいが、MEA作製時におけるプレス圧力により高分子電解質膜が損傷し、アノード触媒層とカソード触媒層とが接触して短絡を生じるのを防止する観点からは上記した位置関係が好ましく挙げられる。 The end portion of the first gasket layer may be disposed on the end portion of the first cathode catalyst layer, but the polymer electrolyte membrane is damaged by the press pressure at the time of manufacturing the MEA, and the anode catalyst layer and the cathode catalyst From the viewpoint of preventing a short circuit from coming into contact with the layer, the above-described positional relationship is preferably exemplified.
また、本発明のMEAの好ましい形態としては、前記第一のアノード触媒層および前記第二のアノード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第二のガスケット層を有する形態が挙げられる。このとき、上述した通り、第一のアノード触媒層の端部と第二のガスケット層の端部とが重なる部位の間に第二のアノード触媒層が配置されていてもよい。各層が重なる部位において、第一のアノード触媒層の端部と、第二のアノード触媒層の端部と、第二のガスケット層の端部との位置関係は、アノード触媒層の端部でのガス、特に水素含有ガスなどの燃料の透過を十分抑制できるような関係であれば特に制限されない。 Moreover, as a preferable form of MEA of this invention, the form which has the 2nd gasket layer formed in at least one part of the edge part of said 1st anode catalyst layer and said 2nd anode catalyst layer is mentioned. At this time, as described above, the second anode catalyst layer may be disposed between portions where the end of the first anode catalyst layer and the end of the second gasket layer overlap. In the portion where each layer overlaps, the positional relationship between the end of the first anode catalyst layer, the end of the second anode catalyst layer, and the end of the second gasket layer is as follows. There is no particular limitation as long as the permeation of fuel such as gas, particularly hydrogen-containing gas, can be sufficiently suppressed.
例えば、前記第二のガスケット層の端部が、前記第一のアノード触媒層と前記第二のアノード触媒層との間に挿入される、および/または、前記第二のアノード触媒層と前記高分子電解質膜との間に挿入される位置関係が好ましく挙げられる。具体的には、前記第二のガスケット層の端部の全てが、前記第一のアノード触媒層と前記第二のアノード触媒層との間、または、前記第二のアノード触媒層と前記高分子電解質膜との間、に挿入されてもよい。この他にも、前記第二のガスケット層の端部のうちの一部が前記第一のアノード触媒層と前記第二のアノード触媒層との間に挿入され、前記第二のガスケット層の端部のうちの残りの部位が前記第二のアノード触媒層と前記高分子電解質膜との間に挿入されていてもよい。 For example, the end of the second gasket layer is inserted between the first anode catalyst layer and the second anode catalyst layer, and / or the second anode catalyst layer and the height The positional relationship inserted between the molecular electrolyte membrane is preferred. Specifically, all of the end portions of the second gasket layer are formed between the first anode catalyst layer and the second anode catalyst layer or between the second anode catalyst layer and the polymer. It may be inserted between the electrolyte membranes. In addition, a part of the end of the second gasket layer is inserted between the first anode catalyst layer and the second anode catalyst layer, and the end of the second gasket layer is inserted. The remaining part of the part may be inserted between the second anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.
前記第二のガスケット層の端部が前記第一のアノード触媒層の端部上に配置されてもよいが、MEA作製時にアノード触媒層とカソード触媒層との接触による短絡を防止する観点からは、上記した位置関係が好ましく挙げられる。 The end of the second gasket layer may be disposed on the end of the first anode catalyst layer, but from the viewpoint of preventing a short circuit due to contact between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer during MEA fabrication. The above-mentioned positional relationship is preferably exemplified.
上記各層の形成の組み合わせは、特に制限されないが、上記好ましい例示のいずれの組み合わせであってもよい。好ましくは、(1)第一のガスケット層の端部が第一のカソード触媒層の端部と第二のカソード触媒層の端部との間に挿入され、かつ第二のガスケット層の端部が第一のアノード触媒層の端部と第二のアノード触媒層の端部との間に挿入される図3に示す形態;(2)第一のガスケット層の端部が第二のカソード触媒層の端部と高分子電解質膜との間に挿入され、かつ第二のガスケット層の端部が第一のアノード触媒層の端部と第二のアノード触媒層の端部との間に挿入される図4に示す形態;(3)第一のガスケット層の端部が第一のカソード触媒層の端部と第二のカソード触媒層の端部との間に挿入され、かつ第二のガスケット層の端部が第二のアノード触媒層の端部と高分子電解質膜との間に挿入される図5に示す形態;(4)第一のガスケット層の端部が第二のカソード触媒層の端部と高分子電解質膜との間に挿入され、かつ第二のガスケット層の端部が第二のアノード触媒層の端部と高分子電解質膜との間に挿入される図6に示す形態の組み合わせが好ましい。 The combination of the formation of the above layers is not particularly limited, but any combination of the above preferred examples may be used. Preferably, (1) the end of the first gasket layer is inserted between the end of the first cathode catalyst layer and the end of the second cathode catalyst layer, and the end of the second gasket layer Is inserted between the end of the first anode catalyst layer and the end of the second anode catalyst layer; and (2) the end of the first gasket layer is the second cathode catalyst. Inserted between the end of the layer and the polymer electrolyte membrane, and the end of the second gasket layer is inserted between the end of the first anode catalyst layer and the end of the second anode catalyst layer 4; (3) the end of the first gasket layer is inserted between the end of the first cathode catalyst layer and the end of the second cathode catalyst layer, and the second The form shown in FIG. 5 in which the end of the gasket layer is inserted between the end of the second anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane; (4) First The end of the sket layer is inserted between the end of the second cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, and the end of the second gasket layer is inserted into the end of the second anode catalyst layer and the polymer electrolyte. A combination of the forms shown in FIG. 6 inserted between the membrane is preferred.
上記組み合わせのうち、短絡(アノード/カソード両触媒層の接触)を有効に防止できる及びカーボンの腐食が起こり難いという意味では、第二のアノード触媒層および/または第二のカソード触媒層と電解質膜との間に、第一または第二のガスケット層の少なくとも一方が挿入されていることが好ましい。この点では、(3)、(4)、および(5)の組み合わせが好ましい。なかでも、さらに製造が容易であることから、上記(5)の組み合わせが特に好ましく使用される。 Of the above combinations, the second anode catalyst layer and / or the second cathode catalyst layer and the electrolyte membrane in the sense that the short circuit (contact between the anode / cathode catalyst layers) can be effectively prevented and the carbon corrosion hardly occurs. It is preferable that at least one of the first or second gasket layer is inserted between the first and second gasket layers. In this respect, the combination of (3), (4), and (5) is preferable. Especially, since manufacture is further easy, the combination of said (5) is used especially preferable.
次に、本発明の電解質膜−電極接合体の各層が含有する成分について説明する。 Next, components contained in each layer of the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention will be described.
まず、第一および第二ならびにアノードおよびカソードにそれぞれ用いられる触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含む。 First, the catalyst layers used for the first and second, and the anode and the cathode, respectively, include an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier, and a polymer electrolyte.
第一および第二のカソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、第一および第二のアノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。 The catalyst components used in the first and second cathode catalyst layers are not particularly limited as long as they have a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. The catalyst components used in the first and second anode catalyst layers are not particularly limited as long as they have a catalytic action in the hydrogen oxidation reaction, and known catalysts can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%.
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。 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 component elements that form separate crystals, a component element that completely dissolves into a solid solution, and a component element that is 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.
第一および第二のカソード触媒層に用いられる触媒成分及び第一および第二のアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、第一および第二のならびにカソードおよびアノードに用いられる触媒層用の触媒成分についての説明は、いずれについても同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、第一および第二のならびにカソードおよびアノードに用いられる各触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。 The catalyst component used for the first and second cathode catalyst layers and the catalyst component used for the first and second anode catalyst layers can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the catalyst components for the catalyst layers used in the first and second and cathode and anode are the same definitions for all, and collectively referred to as “catalyst components”. Called. However, the catalyst components for the catalyst layers used for the first and second, and the cathode and anode do not need to be the same, and are appropriately selected so as to achieve the desired action as described above.
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。この際、触媒層インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒層インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分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触媒成分の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. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst layer ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds. On the other hand, there is a phenomenon that the oxygen reduction activity decreases. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst layer ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. . It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.
電極触媒における導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The electroconductive carrier in the electrode catalyst may be any electroconductive carrier as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. Is preferred. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gとするのがよい。前記比表面積が、20m2/g未満であると前記導電性担体への触媒成分および固体高分子電解質の分散性が低下して十分な発電性能が得られない恐れがあり、1600m2/gを超えると触媒成分および固体高分子電解質の有効利用率が却って低下する恐れがある。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. The specific surface area, 20 m 2 / dispersibility of the catalyst component and the solid polymer electrolyte of g less than the that to the conductive support is lowered there is a possibility that sufficient power generation performance is obtained, a 1600 m 2 / g When it exceeds, there exists a possibility that the effective utilization factor of a catalyst component and a solid polymer electrolyte may fall on the contrary.
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極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、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm. The thickness is preferably about 10 to 100 nm.
前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%を超えると、触媒成分の導電性担体上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく経済上での利点が低下する恐れがある。また、前記担持量が、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。 In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the loading amount exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support is lowered, and although the loading amount is increased, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be lowered. On the other hand, if the loading amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass is lowered, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
本発明の第一および第二のならびにカソードおよびアノードに用いられる各触媒層に用いられる高分子電解質としては、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。この際使用できる固体高分子電解質は、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 polymer electrolyte used in each of the catalyst layers used in the first and second and cathode and anode of the present invention is not particularly limited and a known one can be used, but at least a member having high proton conductivity If it is. Solid polymer electrolytes that can be used in this case are broadly classified into fluorine-based electrolytes that contain fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton, and hydrocarbon-based electrolytes that do not contain 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.
高分子電解質は、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く、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。 The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.
また、導電性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。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。 The catalyst component can be supported on the conductive 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. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.
アノードおよびカソードに用いられる第一の触媒層における電極触媒と高分子電解質との混合比は、所望の発電性能を有する電解質膜−電極接合体が得られるように適宜決定すればよい。具体的には、電極触媒と高分子電解質との混合比は、質量比(電極触媒:高分子電解質)で、好ましくは3:1〜1:1、より好ましくは3:1〜3:2とするのがよい。触媒層において電極触媒の比率が少なすぎると十分な発電性能を有するMEAが得らない恐れがあり、電極触媒の比率が多すぎても電極触媒の増加量に見合った発電性能の向上が見られずMEAのコストアップに繋がる恐れがある。 What is necessary is just to determine suitably the mixing ratio of the electrode catalyst and polymer electrolyte in the 1st catalyst layer used for an anode and a cathode so that the electrolyte membrane electrode assembly which has desired power generation performance may be obtained. Specifically, the mixing ratio of the electrode catalyst and the polymer electrolyte is a mass ratio (electrode catalyst: polymer electrolyte), preferably 3: 1 to 1: 1, more preferably 3: 1 to 3: 2. It is good to do. If the ratio of the electrode catalyst in the catalyst layer is too small, an MEA having sufficient power generation performance may not be obtained. Even if the ratio of the electrode catalyst is too large, an improvement in power generation performance commensurate with the amount of increase in the electrode catalyst can be seen. This may lead to an increase in MEA costs.
また、アノードおよびカソードに用いられる第一の触媒層の厚さは、外部から供給されるガスの拡散性および電解質膜−電極接合体の発電性能を考慮すると、好ましくは1〜30μm、より好ましくは1〜20μmとするのがよい。 The thickness of the first catalyst layer used for the anode and the cathode is preferably 1 to 30 μm, more preferably considering the diffusibility of the gas supplied from the outside and the power generation performance of the electrolyte membrane-electrode assembly. It is good to set it as 1-20 micrometers.
第二のアノード触媒層における電極触媒と高分子電解質との混合比は、アノードからカソードへのプロトン伝導性向上の観点から、第一のアノード触媒層よりも電解質成分の濃度を高くするのがよい。具体的には、電極触媒と高分子電解質との混合比は、質量比(電極触媒:高分子電解質)で、好ましくは2:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:4とするのがよい。第二のアノード触媒層が、前記組成を有することにより、対極であるカソードからクロスリークしてきた酸化剤ガスを、アノード触媒層から拡散してきた燃料と反応させて水を生成する反応(2H2+O2→2H2O)が生じて、アノード側における酸化剤ガス濃度を低減させることが可能となる。さらに、クロスリークしてきた酸化剤ガスが第一のアノード触媒層に侵入して過酸化水素を生成したとしても、第二のアノード触媒層が前記組成を有することにより、過酸化水素を、第一のアノード触媒層から拡散してきた燃料と反応させて分解(H2O2+H2→2H2O)することも可能となる。従って、前記組成を有する第二のアノード触媒層によれば、クロスリークした酸化剤ガス濃度の低減により過酸化水素の生成を抑制できる他、さらに、第二のアノード触媒層において生成した微量の過酸化水素濃度を低減させることも可能となり、高分子電解質膜および第一のアノード触媒層に含まれる電解質成分の劣化を効果的に抑制することができる。 The mixing ratio of the electrode catalyst and the polymer electrolyte in the second anode catalyst layer should be higher than that of the first anode catalyst layer from the viewpoint of improving proton conductivity from the anode to the cathode. . Specifically, the mixing ratio of the electrode catalyst and the polymer electrolyte is a mass ratio (electrode catalyst: polymer electrolyte), preferably 2: 1 to 1:10, more preferably 1: 1 to 1: 4. It is good to do. Since the second anode catalyst layer has the above-described composition, the oxidant gas that has cross-leaked from the cathode that is the counter electrode reacts with the fuel diffused from the anode catalyst layer to generate water (2H 2 + O 2 → 2H 2 O), and the oxidant gas concentration on the anode side can be reduced. Further, even if the oxidant gas that has cross-leaked enters the first anode catalyst layer to generate hydrogen peroxide, the second anode catalyst layer has the above composition, so that It is also possible to cause decomposition (H 2 O 2 + H 2 → 2H 2 O) by reacting with the fuel diffused from the anode catalyst layer. Therefore, according to the second anode catalyst layer having the above-described composition, the generation of hydrogen peroxide can be suppressed by reducing the concentration of the oxidant gas that has cross-leaked. It is also possible to reduce the hydrogen oxide concentration, and the deterioration of the electrolyte components contained in the polymer electrolyte membrane and the first anode catalyst layer can be effectively suppressed.
前記第二のアノード触媒層の厚さは、好ましくは1〜20μm、より好ましくは5〜10μmとするのがよい。前記厚さが、1μm未満であると第二のアノード触媒層による機能を十分に発揮できない恐れがあり、20μmを超えると第一のアノード触媒層と高分子電解質膜とのプロトン伝導性が低下して電解質膜−電極接合体の発電性能が却って低下する恐れがある。 The thickness of the second anode catalyst layer is preferably 1 to 20 μm, more preferably 5 to 10 μm. If the thickness is less than 1 μm, the function of the second anode catalyst layer may not be sufficiently exerted. If the thickness exceeds 20 μm, proton conductivity between the first anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane decreases. Therefore, the power generation performance of the electrolyte membrane-electrode assembly may be deteriorated.
第二のカソード触媒層における電極触媒と高分子電解質との混合比は、アノードからカソードへのプロトン伝導性向上の観点から、第一のカソード触媒層よりも電解質成分の濃度を高くするのがよい。具体的には、電極触媒と高分子電解質との混合比は、質量比(電極触媒:高分子電解質)で、好ましくは2:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:4とするのがよい。第二のカソード触媒層が前記組成を有することにより、アノード側からクロスリークしてきた過酸化水素を分解(H2O2→O2+2H++2e―)させることができる。さらに、第二のカソード触媒層は第一のカソード触媒層と同様に電位が高いため、第二のカソード触媒層における前記過酸化水素の分解反応は促進される。これにより、第一のカソード触媒層にアノード側からクロスリークしてきた過酸化水素が侵入するのを抑制することができ、第一のカソード触媒層に含まれる電解質成分の劣化を防止することが可能となる。 The mixing ratio of the electrode catalyst and the polymer electrolyte in the second cathode catalyst layer should be higher than that of the first cathode catalyst layer in terms of improving proton conductivity from the anode to the cathode. . Specifically, the mixing ratio of the electrode catalyst and the polymer electrolyte is a mass ratio (electrode catalyst: polymer electrolyte), preferably 2: 1 to 1:10, more preferably 1: 1 to 1: 4. It is good to do. When the second cathode catalyst layer has the above composition, hydrogen peroxide that has cross-leaked from the anode side can be decomposed (H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e − ). Furthermore, since the second cathode catalyst layer has a high potential like the first cathode catalyst layer, the decomposition reaction of hydrogen peroxide in the second cathode catalyst layer is promoted. As a result, it is possible to prevent hydrogen peroxide that has cross-leaked from the anode side from entering the first cathode catalyst layer, and to prevent deterioration of the electrolyte components contained in the first cathode catalyst layer. It becomes.
前記第二のカソード触媒層の厚さは、好ましくは1〜20μm、より好ましくは5〜10μmとするのがよい。前記厚さが、1μm未満であると第二のカソード触媒層による機能を十分に発揮できない恐れがあり、20μmを超えると第一のカソード触媒層と高分子電解質膜とのプロトン伝導性が低下して電解質膜−電極接合体の発電性能が却って低下する恐れがある。 The thickness of the second cathode catalyst layer is preferably 1 to 20 μm, more preferably 5 to 10 μm. If the thickness is less than 1 μm, the function of the second cathode catalyst layer may not be sufficiently exerted, and if it exceeds 20 μm, proton conductivity between the first cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane decreases. Therefore, the power generation performance of the electrolyte membrane-electrode assembly may be deteriorated.
次に、本発明の電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜の周縁部にガスケット層を配置し、好ましくはガスケット層の端部と触媒層の端部とを電解質膜−電極接合体の厚さ方向において重ね合せることにより有効触媒層の面積を調整する。 Next, in the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, a gasket layer is disposed on the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, and preferably the end of the gasket layer and the end of the catalyst layer are connected to each other in the electrolyte membrane-electrode assembly. The area of the effective catalyst layer is adjusted by overlapping in the thickness direction.
ガスケット層は、気体、特に酸化剤ガスや水素含有ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、高分子電解質膜やカソード/アノード触媒層の端部との接着を目的とする接着層及びガス不透過材料からなる不透過層から構成される。この際、不透過層を構成する材料は、膜にした際に酸素や水素含有ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。具体的には、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、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)などが挙げられる。接着層に使用できる材料もまた、高分子電解質膜やカソード/アノード触媒層と、ガスケット層を密接に接着できるものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。 The gasket layer may be impermeable to gas, particularly oxidant gas or hydrogen-containing gas, but generally, it is intended to adhere to the end of the polymer electrolyte membrane or the cathode / anode catalyst layer. It is composed of an adhesive layer and an impermeable layer made of a gas impermeable material. In this case, the material constituting the impermeable layer is not particularly limited as long as it is impermeable to oxygen or hydrogen-containing gas when formed into a film. Specific examples include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), (polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. The material that can be used for the adhesive layer is also a polymer electrolyte. There is no particular limitation as long as the membrane, the cathode / anode catalyst layer, and the gasket layer can be adhered closely, but hot melt adhesives such as polyolefin, polypropylene, thermoplastic elastomer, acrylic adhesives, polyester, polyolefin, etc. Olefin adhesives can be used.
不透過層の厚さは、特に制限されないが、15〜40μmが好ましい。また、接着層の厚さは、特に制限されないが、10〜25μmが好ましい。 The thickness of the impermeable layer is not particularly limited, but is preferably 15 to 40 μm. The thickness of the adhesive layer is not particularly limited, but is preferably 10 to 25 μm.
本発明のMEAに用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のNafion(デュポン社登録商標)やフレミオン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型電解質膜、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高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等などの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。前記高分子電解質膜に用いられる固体高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる固体高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子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 polymer electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the catalyst layer. In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on styrene, hydrocarbon polymer membranes having sulfonic acid groups, and other commonly available solid polymer electrolyte membranes such as polytetrafluoroethylene (PTFE) ), A polymer microporous membrane made of polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. impregnated with a liquid electrolyte such as phosphoric acid or ionic liquid, a porous material filled with a polymer electrolyte, etc. It may be used. The solid polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the adhesiveness, it is preferable to use the same one.
前記高分子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 polymer 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.
なお、本発明によるMEAは、下記に詳述されるように、一般的にガス拡散層をさらに有してもよい。ガス拡散層としては、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及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。 The MEA according to the present invention may generally further include a gas diffusion layer, as will be described in detail below. The gas diffusion layer is not particularly limited, and known materials can be used in the same manner. For example, a base material is a sheet-like material having conductivity and porosity, such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric. And the like. 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.
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 between the carbon particles and the water repellent may be insufficient to obtain the water repellency as expected when the carbon particles are too much. 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.
本発明の電解質膜−電極接合体は、上述した通り、触媒担体として用いられるカーボン担体の腐食、および、電解質膜−電極接合体に含まれる電解質成分の劣化を抑制することが可能となる。また、ガスケット層を設けることにより、触媒層の面積および配置を容易に決定することが可能となり、各触媒層を予め正確に位置合わせしなければいけない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。従って、かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、製造工程が容易であり、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。 As described above, the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can suppress the corrosion of the carbon carrier used as the catalyst carrier and the deterioration of the electrolyte component contained in the electrolyte membrane-electrode assembly. In addition, by providing a gasket layer, it is possible to easily determine the area and arrangement of the catalyst layer, and it is not necessary to accurately align each catalyst layer in advance, so industrial mass production is considered. This is highly desirable. Therefore, by using such an electrolyte membrane-electrode assembly, it is possible to provide a highly reliable fuel cell that has a simple manufacturing process and excellent durability.
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固体高分子型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、リン酸型燃料電池、に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、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、固体高分子型燃料電池が好ましく挙げられる。 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. However, in addition to the above, an alkaline fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, Typical examples include acid electrolyte fuel cells, direct methanol fuel cells, and micro fuel cells. Among these, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output.
燃料電池のアノード側に供給される燃料は、上記した説明中では固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明したため水素含有ガスを例に挙げて説明した。しかしながら、これに限定されず、燃料電池のアノード側に供給される燃料としては、気体および液体のいずれの形態でも使用でき、また、水素含有ガスやメタノールなども使用でき、燃料電池の種類に応じて適宜選択される。 The fuel supplied to the anode side of the fuel cell has been described by taking a hydrogen-containing gas as an example because the solid polymer fuel cell has been described as an example in the above description. However, the present invention is not limited to this, and the fuel supplied to the anode side of the fuel cell can be used in any form of gas and liquid, and hydrogen-containing gas and methanol can also be used, depending on the type of fuel cell. Are appropriately selected.
前記高分子電解質型燃料電池は、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の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化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。 The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.
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、ガスッケット層上の第一および/または第二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 is further provided at a portion on the gasket layer where the first and / or second catalyst layers are not formed. May be. 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.
以下に、本発明の第一の電解質膜−電極接合体の製造方法について説明する。本発明の電解質膜−電極接合体は、公知の方法を適宜修飾した方法を使用することにより製造できる。具体的には、高分子電解質膜上に、第二のカソード触媒層および/または第二のアノード触媒層、第一のカソード触媒層、第一のアノード触媒層、及び第一のガスケット層、ならびに必要であれば第二のガスケット層を、適当な配列、例えば、上記した(1)〜(4)の組み合わせとなるように形成する方法が使用できる。すなわち、本発明の電解質膜−電極接合体の製造方法としては、下記(1)〜(4)の方法が好ましく挙げられる。 Below, the manufacturing method of the 1st electrolyte membrane electrode assembly of this invention is demonstrated. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can be produced by using a method obtained by appropriately modifying a known method. Specifically, on the polymer electrolyte membrane, a second cathode catalyst layer and / or a second anode catalyst layer, a first cathode catalyst layer, a first anode catalyst layer, and a first gasket layer, and If necessary, a method of forming the second gasket layer in an appropriate arrangement, for example, a combination of the above (1) to (4) can be used. That is, as a method for producing the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, the following methods (1) to (4) are preferably exemplified.
(1)高分子電解質膜のカソード側表面に、第二のカソード触媒層を形成した後、第一のカソード触媒層の端部を第一ガスケット層の端部が被覆するように、前記第一のガスケット層を形成する工程;
前記第一のガスケット層が形成されず露出している前記第二のカソード触媒層の表面、および、前記第一のガスケット層と前記第二のカソード触媒層との重複部分の少なくとも一部、を被覆するように第一のカソード触媒層を形成する工程;
前記高分子電解質膜のアノード側表面に、第二のアノード触媒層を形成した後、前記第二のアノード触媒層の端部を第二のガスケット層の端部が被覆するように、前記第二のガスケット層を形成する工程;および
前記第二のガスケット層が形成されず露出している前記第二のアノード触媒層の表面、および、前記第二のガスケット層と前記第二のアノード触媒層との重複部分の少なくとも一部、を被覆するように第一のアノード触媒層を形成する工程;を有する方法。前記(1)の方法によれば、図2に示すように、カソード側およびアノード側の双方で、第一の触媒層の端部と第二の触媒層の端部との間にガスケット層の端部が配置される。
(1) After the second cathode catalyst layer is formed on the cathode side surface of the polymer electrolyte membrane, the first gasket catalyst layer is covered with the first gasket layer so that the end of the first gasket layer covers the first cathode catalyst layer. Forming a gasket layer of;
A surface of the second cathode catalyst layer which is exposed without being formed with the first gasket layer, and at least a part of an overlapping portion between the first gasket layer and the second cathode catalyst layer; Forming a first cathode catalyst layer to coat;
After the second anode catalyst layer is formed on the anode side surface of the polymer electrolyte membrane, the second anode catalyst layer is covered with the second gasket layer so that the end of the second gasket layer covers the second anode catalyst layer. Forming the gasket layer; and the surface of the second anode catalyst layer that is exposed without being formed with the second gasket layer, and the second gasket layer and the second anode catalyst layer. Forming a first anode catalyst layer so as to cover at least a part of the overlapping portion. According to the method (1), as shown in FIG. 2, the gasket layer is formed between the end of the first catalyst layer and the end of the second catalyst layer on both the cathode side and the anode side. The end is arranged.
(2)高分子電解質膜のカソード側表面に、第一のガスケット層を形成した後、前記第一のガスケット層の端部を第二のカソード触媒層および第一のカソード触媒層の端部が被覆するように、前記第二のカソード触媒層および前記第一のカソード触媒層を形成する工程;
前記高分子電解質膜のアノード側表面に、第二のアノード触媒層を形成した後、前記第二のアノード触媒層の端部を第二のガスケット層の端部が被覆するように、第二のガスケット層を形成する工程;および
前記第二のガスケット層が形成されず露出している前記第二のアノード触媒層の表面、および、前記第二のガスケット層と前記第二のアノード触媒層との重複部分の少なくとも一部、を被覆するように第一のアノード触媒層を形成する工程;を有する方法。前記方法によれば、図3に示すように、カソード側では高分子電解質膜と第二のカソード触媒層の端部との間に第二のガスケット層の端部が配置され、アノード側では第一のアノード触媒層の端部と第二のアノード触媒層の端部との間に第二のガスケット層の端部が配置される。
(2) After forming the first gasket layer on the cathode side surface of the polymer electrolyte membrane, the end of the first gasket layer is connected to the end of the second cathode catalyst layer and the first cathode catalyst layer. Forming the second cathode catalyst layer and the first cathode catalyst layer so as to coat;
After forming the second anode catalyst layer on the anode side surface of the polymer electrolyte membrane, the second anode catalyst layer is covered with the second gasket layer so that the end of the second gasket layer covers the second anode catalyst layer. Forming a gasket layer; and the surface of the second anode catalyst layer that is exposed without being formed with the second gasket layer, and the second gasket layer and the second anode catalyst layer. Forming a first anode catalyst layer to cover at least a portion of the overlapping portion. According to the method, as shown in FIG. 3, the end of the second gasket layer is arranged between the polymer electrolyte membrane and the end of the second cathode catalyst layer on the cathode side, and the first side on the anode side. The end of the second gasket layer is disposed between the end of one anode catalyst layer and the end of the second anode catalyst layer.
(3)高分子電解質膜のカソード側表面に、第二のカソード触媒層を形成した後、前記第二のカソード触媒層の端部を第一のガスケット層の端部が被覆するように、前記第一のガスケット層を形成する工程;
前記第一のガスケット層が形成されず露出している前記第二のカソード触媒層の表面、および、前記第一のガスケット層と前記第二のカソード触媒層との重複部分の少なくとも一部、を被覆するように第一のカソード触媒層を形成する工程;および、
前記高分子電解質膜のアノード側表面に、第二のガスケット層を形成した後、前記第二のガスケット層の端部を第二のアノード触媒層および第一のアノード触媒層の端部が被覆するように、前記第二のアノード触媒層および前記第一のアノード触媒層を形成する工程;を有する方法。前記方法によれば、図4に示すように、カソード側では第一のカソード触媒層の端部と第二のカソード触媒層の端部との間に第一のガスケット層の端部が配置され、アノード側では高分子電解質膜と第二のアノード触媒層の端部との間に第二のガスケット層の端部が配置される。
(3) After the second cathode catalyst layer is formed on the cathode side surface of the polymer electrolyte membrane, the end portion of the second cathode catalyst layer is covered with the end portion of the first gasket layer. Forming a first gasket layer;
A surface of the second cathode catalyst layer which is exposed without being formed with the first gasket layer, and at least a part of an overlapping portion between the first gasket layer and the second cathode catalyst layer; Forming a first cathode catalyst layer for coating; and
After the second gasket layer is formed on the anode side surface of the polymer electrolyte membrane, the ends of the second gasket layer are covered with the ends of the second anode catalyst layer and the first anode catalyst layer. Forming the second anode catalyst layer and the first anode catalyst layer. According to the above method, as shown in FIG. 4, the end of the first gasket layer is disposed between the end of the first cathode catalyst layer and the end of the second cathode catalyst layer on the cathode side. On the anode side, the end of the second gasket layer is disposed between the polymer electrolyte membrane and the end of the second anode catalyst layer.
(4)高分子電解質膜のカソード側表面に、第一のガスケット層を形成した後、前記第一のガスケット層の端部を第二のカソード触媒層および第一のカソード触媒層の端部が被覆するように、前記第二のカソード触媒層および前記第一のカソード触媒層を形成する工程;および
前記高分子電解質膜のアノード側表面に、第二のガスケット層を形成した後、前記第二のガスケット層の端部を第二のアノード触媒層および第一のアノード触媒層の端部の少なくともが被覆するように、前記第二のアノード触媒層および前記第一のアノード触媒層を形成する工程;を有する方法。前記方法によれば、図5に示すように高分子電解質膜と第二の触媒層の端部との間に各ガスケット層の端部が配置される構成を有する電解質膜−電極接合体が得られる。
(4) After the first gasket layer is formed on the cathode side surface of the polymer electrolyte membrane, the end portions of the first gasket layer are connected to the end portions of the second cathode catalyst layer and the first cathode catalyst layer. Forming the second cathode catalyst layer and the first cathode catalyst layer so as to cover; and, after forming a second gasket layer on the anode side surface of the polymer electrolyte membrane, Forming the second anode catalyst layer and the first anode catalyst layer so that at least the second anode catalyst layer and the first anode catalyst layer end portions are covered with the end portions of the gasket layer A method comprising: According to the above method, an electrolyte membrane-electrode assembly having a configuration in which the end of each gasket layer is disposed between the polymer electrolyte membrane and the end of the second catalyst layer as shown in FIG. It is done.
本発明の方法によると、第二のカソード触媒層および/または第二のアノード触媒層の他、第一のカソード触媒層、第一のガスケット層、第一のアノード触媒層、ならびに必要であれば第二のガスケット層を、所望の順番で正確にかつ容易に配置できる。なお、前記(1)〜(4)の方法は、MEAにおいて各層を形成する好ましい工程の順序を記載したものであり、本発明のMEAの製造方法が前記(1)〜(4)の方法に限定されるわけではない。 According to the method of the present invention, in addition to the second cathode catalyst layer and / or the second anode catalyst layer, the first cathode catalyst layer, the first gasket layer, the first anode catalyst layer, and if necessary, The second gasket layer can be placed accurately and easily in the desired order. In addition, the method of said (1)-(4) described the order of the preferable process of forming each layer in MEA, and the manufacturing method of MEA of this invention is the method of said (1)-(4). It is not limited.
本発明の方法において、アノード触媒層の有効面積がカソード触媒層の有効面積より大きくなるように前記第一のガスケット層及び前記第二のガスケット層の形成位置を調整するのがよい。 In the method of the present invention, the formation positions of the first gasket layer and the second gasket layer are preferably adjusted so that the effective area of the anode catalyst layer is larger than the effective area of the cathode catalyst layer.
第一のガスケット層及び必要であれば第二のガスケット層を、第一のカソード触媒層及び第一のアノード触媒層の端部にそれぞれ配置することによって、各触媒層の有効面積を正確に規定することができる。従って、第一のカソード触媒層の端部に第一のガスケット層、及び好ましくは第一のアノード触媒層の端部に第二のガスケット層を形成するため、各触媒層の位置合わせが正確である必要は必ずしもなく、製造方法の簡略化が可能である。即ち、第一のおよび第二のカソード触媒層の端部と第一のおよび第二のアノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結していてもよいが、第一のおよび第二のカソード触媒層の端部と第一のおよび第二のアノード触媒層の端部の位置がずれていてもよい。このような場合であっても、ガスケット層を、各触媒層が所望の大きさ及び位置にあるように、触媒層端部に適宜形成すればよいからである。従って、MEAの厚み方向において各層の端部が終結する位置が所望の位置となるように、各層を形成または配置すればよい。MEAの厚み方向において各層の端部が終結する位置については、上述の通りである。 By arranging the first gasket layer and, if necessary, the second gasket layer at the ends of the first cathode catalyst layer and the first anode catalyst layer, respectively, the effective area of each catalyst layer is accurately defined. can do. Therefore, since the first gasket layer is formed at the end of the first cathode catalyst layer, and preferably the second gasket layer is formed at the end of the first anode catalyst layer, the alignment of each catalyst layer is accurate. It is not always necessary, and the manufacturing method can be simplified. That is, the end portions of the first and second cathode catalyst layers and the end portions of the first and second anode catalyst layers are terminated at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. However, the positions of the end portions of the first and second cathode catalyst layers and the end portions of the first and second anode catalyst layers may be shifted. This is because even in such a case, the gasket layer may be appropriately formed at the end of the catalyst layer so that each catalyst layer is in a desired size and position. Therefore, each layer may be formed or arranged so that the position where the end of each layer ends in the thickness direction of the MEA is a desired position. The position where the end of each layer ends in the thickness direction of the MEA is as described above.
また、本発明の方法では、上記した(1)〜(4)の方法を用いれば、高分子電解質膜と触媒層との間にガスケット層が存在するため、後にガス拡散層などをプレスする際や、燃料電池スタックとして積層する際に高分子電解質膜が破損するなどして触媒層の端部同士が接触してエッジ部の短絡が起こることを防止できるという利点がある。 Further, in the method of the present invention, when the above-described methods (1) to (4) are used, a gasket layer exists between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. In addition, there is an advantage that it is possible to prevent the end portions of the catalyst layers from coming into contact with each other due to breakage of the polymer electrolyte membrane when laminated as a fuel cell stack, thereby causing a short circuit of the edge portions.
本発明の方法において、特に第一のおよび第二のカソード触媒層の端部と第一のおよび第二のアノード触媒層の端部の位置が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対してずれている場合、第一のおよび第二のカソード触媒層の端部と第一のおよび第二のアノード触媒層の端部との間のギャップは可能な限り存在しない(例えば、図5において、「X」が0に近い)ことが好ましい。これは、このようなギャップ部分が存在すると、この部分で発生した電子(e−)とプロトン(H+)が第一のカソード触媒層側に移行しても、アノード触媒層の有効面積がカソード触媒層の有効面積より大きいので、このプロトンおよび電子はカソード側で酸素と効率よく反応することができずに、有効に触媒作用が働かないためである。このようなことを考慮すると、第一のおよび第二のカソード触媒層の端部と第一のおよび第二のアノード触媒層の端部との間のギャップ部分の幅(X)は、1cm以下、より好ましくは3mm以下であることが好ましい。 In the method of the present invention, in particular, the positions of the end portions of the first and second cathode catalyst layers and the end portions of the first and second anode catalyst layers are relative to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. If they are offset, there is as little gap as possible between the ends of the first and second cathode catalyst layers and the ends of the first and second anode catalyst layers (eg, in FIG. “X” is preferably close to 0). This is because, when such a gap portion exists, even if electrons (e − ) and protons (H + ) generated in this portion move to the first cathode catalyst layer side, the effective area of the anode catalyst layer becomes the cathode. This is because the protons and electrons cannot efficiently react with oxygen on the cathode side and the catalytic action does not work effectively because it is larger than the effective area of the catalyst layer. In consideration of this, the width (X) of the gap portion between the end portions of the first and second cathode catalyst layers and the end portions of the first and second anode catalyst layers is 1 cm or less. More preferably, it is 3 mm or less.
本発明の方法では、アノードおよびカソードにおける第二の触媒層を形成するには、電極触媒、高分子電解質、および溶剤を所定の混合比で含む第二の触媒層インクを、高分子電解質膜表面、または、ガスケット層を部分的に被覆するような状態で高分子電解質膜表面に塗布および乾燥させる方法が用いられる。なお、第二のアノード触媒層および第二のカソード触媒層の形成方法としては同様の方法が用いられるため、第二の触媒層の形成方法として纏めて説明する。 In the method of the present invention, in order to form the second catalyst layer in the anode and the cathode, a second catalyst layer ink containing an electrode catalyst, a polymer electrolyte, and a solvent in a predetermined mixing ratio is added to the surface of the polymer electrolyte membrane. Alternatively, a method of applying and drying the surface of the polymer electrolyte membrane in a state where the gasket layer is partially covered is used. In addition, since the same method is used as a formation method of a 2nd anode catalyst layer and a 2nd cathode catalyst layer, it demonstrates collectively as a formation method of a 2nd catalyst layer.
第二の触媒層インクに用いられる溶剤としては、特に制限されず、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やエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。 The solvent used in the second catalyst layer ink is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used.
第二の触媒層インクにおける電極触媒および高分子電解質などの固形分の含有量は、第二の触媒層インクの全量に対して、好ましくは5〜40質量%、より好ましくは10〜35質量%とするのがよい。また、第二の触媒層インクにおける電極触媒と高分子電解質との混合比は、質量比(電極触媒:高分子電解質)で、好ましくは2:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:4とするのがよい。 The content of the solids such as the electrode catalyst and the polymer electrolyte in the second catalyst layer ink is preferably 5 to 40% by mass, more preferably 10 to 35% by mass, based on the total amount of the second catalyst layer ink. It is good to do. The mixing ratio of the electrode catalyst and the polymer electrolyte in the second catalyst layer ink is a mass ratio (electrode catalyst: polymer electrolyte), preferably 2: 1 to 1:10, more preferably 1: 1 to 1. It should be 1: 4.
第二の触媒層インクの塗布方法としては、ダイコーター法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレー法など、公知の方法を用いることができる。塗布した第二の触媒層インクの乾燥は、特に制限されないが、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間行えばよい。なお、上記工程において、第二の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・乾燥工程を繰り返してもよい。 As a method for applying the second catalyst layer ink, known methods such as a die coater method, a screen printing method, a doctor blade method, and a spray method can be used. The drying of the applied second catalyst layer ink is not particularly limited, but it is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. for 5 to 30 minutes, more preferably 10 in a vacuum dryer or under reduced pressure. It can be done for ~ 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a 2nd catalyst layer is not enough, you may repeat the said application | coating and drying process until it becomes desired thickness.
次に、アノードおよびカソードにおける第一の触媒層を形成するには、電極触媒、高分子電解質、および溶剤を含む第一の触媒層インクを、第二の触媒層表面、または、ガスケット層を部分的に被覆するような状態で第二の触媒層表面に塗布および乾燥させる方法が用いられる。前記溶剤としては、上記したのと同様のものが用いられる。なお、第一のアノード触媒層および第一のカソード触媒層の形成方法としては同様の方法が用いられるため、第一の触媒層の形成方法として纏めて説明する。 Next, in order to form the first catalyst layer in the anode and the cathode, the first catalyst layer ink containing the electrode catalyst, the polymer electrolyte, and the solvent is applied to the surface of the second catalyst layer or the gasket layer. A method of applying and drying on the surface of the second catalyst layer in such a state that it is coated is used. As the solvent, the same solvents as described above are used. In addition, since the same method is used as a formation method of a 1st anode catalyst layer and a 1st cathode catalyst layer, it demonstrates collectively as a formation method of a 1st catalyst layer.
第一の触媒層インクにおける電極触媒および高分子電解質などの固形分の含有量は、第一の触媒層インクの全量に対して、好ましくは5〜30質量%、より好ましくは10〜25質量%とするのがよい。また、第一の触媒層インクにおける電極触媒と高分子電解質との混合比は、質量比(電極触媒:高分子電解質)で、好ましくは3:1〜1:1、より好ましくは3:1〜3:2とするのがよい。 The content of solids such as an electrode catalyst and a polymer electrolyte in the first catalyst layer ink is preferably 5 to 30% by mass, more preferably 10 to 25% by mass, based on the total amount of the first catalyst layer ink. It is good to do. The mixing ratio of the electrode catalyst to the polymer electrolyte in the first catalyst layer ink is a mass ratio (electrode catalyst: polymer electrolyte), preferably 3: 1 to 1: 1, more preferably 3: 1 to 1. 3: 2 is good.
第一の触媒層インクの塗布方法および乾燥方法としては、第二の触媒層において上記したのと同様の方法が用いられる。 As a method for applying and drying the first catalyst layer ink, the same method as described above for the second catalyst layer is used.
また、第一の触媒層インクおよび第二の触媒層インクに用いられる高分子電解質、および電極触媒については本発明の第一において上述した通りである。 The polymer electrolyte and electrode catalyst used in the first catalyst layer ink and the second catalyst layer ink are as described above in the first aspect of the present invention.
第二の触媒層インクおよび/または第一の触媒層インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、各インクがうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。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、第一の触媒層インクまたは第二の触媒層インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。 The second catalyst layer ink and / or the first catalyst layer ink may include a thickener. The use of a thickener is effective when each ink cannot be applied well. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). When the thickener is used, the amount of the thickener added is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but the first catalyst layer ink or the second catalyst layer ink is not limited. Preferably it is 5-20 mass% with respect to the total mass.
ガスケット層の形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、高分子電解質膜上の周縁部の少なくとも一部に、あるいは第二の触媒層の端部を被覆しながら高分子電解質膜上の周縁部の少なくとも一部に、上記接着剤を、5〜30μmの厚みになるように塗布した後、上記したようなガス不透過材料を塗布し、これを25〜150℃で、10秒〜10分間加熱することによって接着剤を硬化させる方法などが使用できる。または、予め、ガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜に接着剤を塗布して、ガスケット層を形成した後、これを高分子電解質膜上の周縁部の少なくとも一部に、あるいは第二の触媒層の一部を被覆しながら高分子電解質膜上の周縁部の少なくとも一部に、貼り合わせてもよい。 The formation method in particular of a gasket layer is not restrict | limited, A well-known method can be used. For example, the adhesive may be applied to at least a part of the peripheral edge on the polymer electrolyte membrane or at least a part of the peripheral edge on the polymer electrolyte membrane while covering the end of the second catalyst layer. After applying to a thickness of 30 μm, the above-described gas-impermeable material is applied, and a method of curing the adhesive by heating it at 25 to 150 ° C. for 10 seconds to 10 minutes can be used. . Alternatively, after the gas impermeable material is formed into a sheet shape in advance, an adhesive is applied to the impermeable film to form a gasket layer, which is then applied to at least a part of the peripheral portion on the polymer electrolyte membrane. Or you may affix on at least one part of the peripheral part on a polymer electrolyte membrane, coat | covering a part of 2nd catalyst layer.
なお、上記では、各インクを直接塗布することにより、高分子電解質膜に第一の触媒層および第二の触媒層を形成する方法について述べてきたが、本発明のMEAは、転写法などの他の方法によって製造されてもよい。このような場合の製造方法は、特に制限されず、公知の転写方法に適宜修飾を加えて使用できる。 In the above description, the method for forming the first catalyst layer and the second catalyst layer on the polymer electrolyte membrane by directly applying each ink has been described. It may be manufactured by other methods. The production method in such a case is not particularly limited, and can be used by appropriately modifying a known transfer method.
本発明の電解質膜−電極接合体は、さらに、ガス拡散層を有していてもよい。電解質膜−電極接合体にガス拡散層を配置する場合には、上述の通りにして得られた電解質膜−電極接合体をさらにガス拡散層で挟持すればよい。この時、ガス拡散層と触媒層との接合性を向上させるためにホットプレスを行ってもよい。ホットプレスの条件としては、第二の触媒層と高分子電解質膜との接合性を高める際に行う上述したホットプレスの条件と同様である。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention may further have a gas diffusion layer. When the gas diffusion layer is disposed in the electrolyte membrane-electrode assembly, the electrolyte membrane-electrode assembly obtained as described above may be further sandwiched between the gas diffusion layers. At this time, hot pressing may be performed in order to improve the bondability between the gas diffusion layer and the catalyst layer. The hot pressing conditions are the same as the hot pressing conditions described above when enhancing the bondability between the second catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.
本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、耐久性に優れかつ燃費効率のよい燃料電池に適用できる。 The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can be applied to a fuel cell having excellent durability and good fuel efficiency.
Claims (11)
前記高分子電解質膜の一方の側に配置された、第一のカソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の側に配置された、第一のアノード触媒層と、
前記第一のカソード触媒層の端部の少なくとも一部に形成された第一のガスケット層と、を有する電解質膜−電極接合体において、
前記高分子電解質膜と前記第一のカソード触媒層に挟持されてなる第二のカソード触媒層、および/または、
前記高分子電解質膜と前記第一のアノード触媒層に挟持されてなる第二のアノード触媒層を有する、電解質膜−電極接合体。 A polymer electrolyte membrane;
A first cathode catalyst layer disposed on one side of the polymer electrolyte membrane;
A first anode catalyst layer disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane;
An electrolyte membrane-electrode assembly having a first gasket layer formed on at least a part of an end of the first cathode catalyst layer,
A second cathode catalyst layer sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the first cathode catalyst layer, and / or
An electrolyte membrane-electrode assembly having a second anode catalyst layer sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the first anode catalyst layer.
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JP2005160036A JP2006338940A (en) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Electrolyte membrane-electrode assembly |
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