[go: up one dir, main page]

JP2006294594A - ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME - Google Patents

ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME Download PDF

Info

Publication number
JP2006294594A
JP2006294594A JP2006045580A JP2006045580A JP2006294594A JP 2006294594 A JP2006294594 A JP 2006294594A JP 2006045580 A JP2006045580 A JP 2006045580A JP 2006045580 A JP2006045580 A JP 2006045580A JP 2006294594 A JP2006294594 A JP 2006294594A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode catalyst
catalyst layer
electrode
fuel cell
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006045580A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Manabu Kaseda
学 加世田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2006045580A priority Critical patent/JP2006294594A/en
Publication of JP2006294594A publication Critical patent/JP2006294594A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】 排水性に優れる燃料電池用電極触媒層を提供する燃料電池用電極触媒層を提供する。
【解決手段】 導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と固体高分子電解質とを少なくとも含む燃料電池用電極触媒層であって、前記燃料電池用電極触媒層は、厚さ方向に向かって前記導電性担体の平均二次粒子径が大きくなる燃料電池用電極触媒層により上記課題を解決する。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst layer for a fuel cell that provides an electrode catalyst layer for a fuel cell excellent in drainage.
A fuel cell electrode catalyst layer comprising at least an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive support and a solid polymer electrolyte, wherein the fuel cell electrode catalyst layer is directed in a thickness direction. Thus, the above problem is solved by an electrode catalyst layer for a fuel cell in which the average secondary particle size of the conductive carrier is increased.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池用電極触媒層に関し、より詳細には排水性が向上した燃料電池用電極触媒層に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode catalyst layer, and more particularly to a fuel cell electrode catalyst layer with improved drainage.

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。   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、膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。電極触媒層は、カーボンなどを主成分とする導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含む。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also simply referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer. The electrode catalyst layer includes at least an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier mainly composed of carbon and the like, and a solid polymer electrolyte.

固体高分子電解質型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極(アノード)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、下記反応式(1)で示されるように触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、燃料極側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに燃料極側電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、酸素極側電極触媒層に達する。また、燃料極側電極触媒層で生成した電子は、燃料極側電極触媒層を構成している導電性担体、さらに燃料極側電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通して酸素極側電極触媒層に達する。そして、酸素極側電極触媒層に達したプロトンおよび電子は酸素極側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と下記反応式(2)で示されるように反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。   In the solid polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode (anode) side is oxidized by the catalyst particles as shown by the following reaction formula (1) to become protons and electrons. Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the fuel electrode side electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the fuel electrode side electrode catalyst layer, and reach the oxygen electrode side electrode catalyst layer. . Further, the electrons generated in the fuel electrode side electrode catalyst layer are in contact with the conductive carrier constituting the fuel electrode side electrode catalyst layer, and further on the side different from the solid polymer electrolyte membrane of the fuel electrode side electrode catalyst layer. The oxygen electrode side electrode catalyst layer is reached through the gas diffusion layer, the separator and the external circuit. Then, the protons and electrons that have reached the oxygen electrode side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the oxygen electrode side as shown in the following reaction formula (2) to generate water. In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

Figure 2006294594
Figure 2006294594

上述のような発電反応おいて、燃料極から酸素極に向かって固体高分子電解質膜を移動するプロトンに伴って移動する水の量と、酸素極の電極反応により生成し凝縮する生成水の量とが多くなる条件では、これらの水が酸素極から外部に速やかに排出され難く、酸素極の空隙部を閉塞するといったフラッディング現象を起こすことが問題となっていた。   In the power generation reaction as described above, the amount of water that moves along with the protons that move through the solid polymer electrolyte membrane from the fuel electrode toward the oxygen electrode, and the amount of water that is generated and condensed by the electrode reaction of the oxygen electrode In such a condition, it is difficult for these waters to be quickly discharged from the oxygen electrode to the outside, causing a flooding phenomenon such as closing the void of the oxygen electrode.

このようなフラッディング現象を回避する手段として、特許文献1には、ガス拡散層に撥水性を付与するために、ガス拡散層と電極触媒層との間に、撥水性高分子が表面に付着した導電性粒子からなる撥水層を配置する技術が提案されている。
特開2003−109611号公報
As a means for avoiding such flooding phenomenon, Patent Document 1 discloses that a water-repellent polymer adheres to the surface between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer in order to impart water repellency to the gas diffusion layer. A technique for arranging a water-repellent layer made of conductive particles has been proposed.
JP 2003-109611 A

燃料電池は、コストとともに問題となっているのが電池の寿命である。電池の寿命は、自動車で5000時間、家庭用では4万時間ともいわれ、長期にわたって所望の発電性能を維持することが求められている。従って、特許文献1等に記載される従来の燃料電池では、さらなる耐久性の向上が依然として所望されている。   The problem with fuel cells is the life of the batteries, which is a problem with cost. Battery life is said to be 5000 hours for automobiles and 40,000 hours for home use, and it is required to maintain desired power generation performance over a long period of time. Therefore, in the conventional fuel cell described in Patent Document 1 and the like, further improvement in durability is still desired.

従来の燃料電池では、上記問題の他に、次のような問題があった。燃料電池では、上述の通り、燃料極側には燃料ガスとして水素が供給されるが、停止時には燃料極側に空気などのガスを供給して燃料極側に残存する水素を置換する。しかし、水素が燃料極から抜けきらず、ある程度の水素が燃料極に残存すると、再起動する際に燃料極において水素で満たされず、空気が残留している部分において、1/2O+2H+2e→HOの反応が生じる。その際、固体高分子電解質膜内の酸性度が変化し、酸素極側電極触媒層において、導電性担体を構成するカーボンがC+2HO→CO+4H+4e反応により腐食消失する。 In addition to the above problems, the conventional fuel cell has the following problems. In the fuel cell, as described above, hydrogen is supplied as a fuel gas to the fuel electrode side. When stopping, a gas such as air is supplied to the fuel electrode side to replace the remaining hydrogen on the fuel electrode side. However, if hydrogen does not escape from the fuel electrode and a certain amount of hydrogen remains in the fuel electrode, in the portion where air is not filled with hydrogen at the fuel electrode and the air remains when restarting, 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O reaction occurs. At that time, the acidity in the solid polymer electrolyte membrane changes, and in the oxygen electrode-side electrode catalyst layer, the carbon constituting the conductive support is corroded and lost by the C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e reaction.

導電性担体の腐食が発生すると、電極触媒層のポーラス構造が破壊され、燃料ガス、酸素ガスの拡散性の低下や電極触媒層内のプロトン伝導パスの減少や遮断により電池性能は低下する。また、電子伝導性の低下により電池抵抗の増大が生じ、これも電池性能の低下となる。さらには、導電性担体から脱落した触媒粒子同士が融着して触媒粒子の表面積が減少することによっても電池性能が低下する。   When corrosion of the conductive carrier occurs, the porous structure of the electrode catalyst layer is destroyed, and the battery performance is degraded due to a decrease in the diffusibility of the fuel gas and oxygen gas and a decrease or interruption of the proton conduction path in the electrode catalyst layer. In addition, the battery resistance increases due to the decrease in electronic conductivity, which also decreases the battery performance. Furthermore, the battery performance is also lowered by the fusion of the catalyst particles dropped from the conductive carrier to reduce the surface area of the catalyst particles.

このような導電性担体の腐食反応は水を酸化剤として二酸化炭素を生成する反応である。運転時において電極触媒層に水が滞留しやすい場合、電池運転の停止においても電極触媒層内へ水が溜まり易い。そのため、この電極触媒層内に溜まった水が、起動時における導電性担体の腐食反応を引き起こす駆動力となっている。従って、長期に亘って所望の発電性能を維持することができる耐久性に優れる燃料電池を得るためには、電極触媒層内の排水構造を適切に構築して導電性担体の腐食を抑制する必要がある。   Such a corrosion reaction of the conductive carrier is a reaction that generates carbon dioxide using water as an oxidizing agent. When water tends to stay in the electrode catalyst layer during operation, water tends to accumulate in the electrode catalyst layer even when the battery operation is stopped. Therefore, the water accumulated in the electrode catalyst layer is a driving force that causes a corrosion reaction of the conductive carrier at the time of startup. Therefore, in order to obtain a fuel cell with excellent durability that can maintain desired power generation performance over a long period of time, it is necessary to appropriately construct a drainage structure in the electrode catalyst layer to suppress corrosion of the conductive carrier. There is.

そこで、本発明の目的は、排水性に優れる燃料電池用電極触媒層を提供することである。   Then, the objective of this invention is providing the electrode catalyst layer for fuel cells excellent in drainage property.

本発明は、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と固体高分子電解質とを少なくとも含む燃料電池用電極触媒層であって、前記燃料電池用電極触媒層は、厚さ方向に向かって前記導電性担体の平均二次粒子径が大きくなる燃料電池用電極触媒層により上記課題を解決する。   The present invention is a fuel cell electrode catalyst layer comprising at least an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive support and a solid polymer electrolyte, and the fuel cell electrode catalyst layer is directed in the thickness direction. Thus, the above problem is solved by an electrode catalyst layer for a fuel cell in which the average secondary particle size of the conductive carrier is increased.

本発明の燃料電池用電極触媒層は、平均二次粒子径が異なる導電性担体を電極触媒層において適切に配置することにより、電極触媒層内に含まれる水分を外部へ迅速に排出することができる。このように排水性が向上された燃料電池用電極触媒層によれば、起動停止時における導電性担体の腐食を抑制することができるだけでなく、電極触媒層内のフラッディング現象を防止することができる。従って、本発明の燃料電池用電極触媒層によれば、安定した発電性能を長期間に亘り実現することが可能な耐久性に優れる燃料電池を提供することが可能となる。   The electrode catalyst layer for a fuel cell of the present invention can quickly discharge moisture contained in the electrode catalyst layer to the outside by appropriately disposing conductive carriers having different average secondary particle sizes in the electrode catalyst layer. it can. Thus, according to the electrode catalyst layer for fuel cells with improved drainage, not only can the corrosion of the conductive carrier during start-stop be suppressed, but also the flooding phenomenon in the electrode catalyst layer can be prevented. . Therefore, according to the electrode catalyst layer for a fuel cell of the present invention, it is possible to provide a fuel cell with excellent durability capable of realizing stable power generation performance over a long period of time.

本発明の第一は、上述した通り、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と固体高分子電解質とを少なくとも含む燃料電池用電極触媒層であって、前記燃料電池用電極触媒層は、厚さ方向に向かって前記導電性担体の平均二次粒子径が大きくなる燃料電池用電極触媒層(以下、単に「電極触媒層」とも記載する)である。   The first aspect of the present invention is a fuel cell electrode catalyst layer comprising at least an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier and a solid polymer electrolyte, as described above, and the fuel cell electrode catalyst layer. Is an electrode catalyst layer for a fuel cell (hereinafter, also simply referred to as “electrode catalyst layer”) in which the average secondary particle diameter of the conductive carrier increases in the thickness direction.

触媒担体として一般的に用いられる導電性担体は、電極触媒層においては一次粒子が凝集した二次粒子として存在する。本発明の電極触媒層では、厚さ方向に向かって導電性担体の平均二次粒子径を大きくすることにより、厚さ方向に向かって前記電極触媒層の多孔質の密度が減少する構成を有する。一般的に、水は孔径(隙間)の大きな、すなわち抵抗が少ない方へ移動しやすい。そのため、前記電極触媒層において生成した水分などが外部へ移動するのを促進させることができ、排水性に優れる燃料電池用電極触媒層が得られるのである。また、電極触媒層を構成する材料のうち導電性担体は、微粉末であるから、電極触媒層内の多孔質の密度を容易に調整することができる。   A conductive carrier generally used as a catalyst carrier exists as secondary particles in which primary particles are aggregated in an electrode catalyst layer. The electrode catalyst layer of the present invention has a configuration in which the porous density of the electrode catalyst layer decreases in the thickness direction by increasing the average secondary particle diameter of the conductive support in the thickness direction. . In general, water tends to move toward a larger pore diameter (gap), that is, less resistance. Therefore, it is possible to promote the movement of moisture and the like generated in the electrode catalyst layer to the outside, and it is possible to obtain a fuel cell electrode catalyst layer excellent in drainage. Moreover, since the electroconductive support | carrier is a fine powder among the materials which comprise an electrode catalyst layer, the porous density in an electrode catalyst layer can be adjusted easily.

本発明の電極触媒層において、厚さ方向に導電性担体の平均二次粒子径を大きくするには、前記導電性担体の平均二次粒子径が厚さ方向に向かって漸増または段階的に大きくなるように、導電性担体を電極触媒層内に配置するのが好ましい。   In the electrode catalyst layer of the present invention, in order to increase the average secondary particle diameter of the conductive support in the thickness direction, the average secondary particle diameter of the conductive support increases gradually or stepwise in the thickness direction. Thus, it is preferable to dispose the conductive support in the electrode catalyst layer.

なかでも、電極触媒層の製造が容易であるため、前記電極触媒層は、所定の平均二次粒子径を有する導電性担体を含む層を積層させて、前記導電性担体の平均二次粒子径が厚さ方向に向かって段階的に大きくなるようにするのが望ましい。すなわち、本発明の電極触媒層の構成としては、電極触媒層(1)と電極触媒層(2)との少なくとも二層が積層されてなり、かつ、前記電極触媒層(1)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)が、前記電極触媒層(2)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)よりも小さい構成が好ましく挙げられる。 Especially, since the production of the electrode catalyst layer is easy, the electrode catalyst layer is formed by laminating a layer containing a conductive carrier having a predetermined average secondary particle size, and the average secondary particle size of the conductive carrier is It is desirable to increase stepwise in the thickness direction. That is, as a configuration of the electrode catalyst layer of the present invention, at least two layers of the electrode catalyst layer (1) and the electrode catalyst layer (2) are laminated, and the electrode catalyst layer (1) includes A configuration in which the average secondary particle size (D 1 ) of the conductive carrier is smaller than the average secondary particle size (D 2 ) of the conductive carrier contained in the electrode catalyst layer (2) is preferably exemplified.

かような構成を有する電極触媒層の好ましい一実施形態を図1に示す。図1は、本発明の電極触媒層の断面模式図であり、電極触媒層(1)121と、電極触媒層(2)122との二層が積層されてなり、前記電極触媒層(1)121に含まれる前記導電性担体101の平均二次粒子径(D)は、前記電極触媒層(2)122に含まれる前記導電性担体102の平均二次粒子径(D)よりも小さくなっている。このようにして、本発明では、電極触媒層の排水性を向上させるために電極触媒層において厚さ方向に向かって導電性担体の粒子径を大きくするのである。なお、図1において、前記電極触媒層(1)および前記電極触媒層(2)では、導電性担体101および102の他に、前記導電性担体上に担持される触媒粒子および固体高分子電解質などが含まれ得るが説明の都合上省略している。 A preferred embodiment of the electrode catalyst layer having such a configuration is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an electrode catalyst layer of the present invention, in which two layers of an electrode catalyst layer (1) 121 and an electrode catalyst layer (2) 122 are laminated, and the electrode catalyst layer (1) 121 has an average secondary particle diameter (D 1 ) of the conductive carrier 101 smaller than an average secondary particle diameter (D 2 ) of the conductive carrier 102 contained in the electrode catalyst layer (2) 122. It has become. Thus, in this invention, in order to improve the drainage property of an electrode catalyst layer, the particle diameter of an electroconductive support | carrier is enlarged toward the thickness direction in an electrode catalyst layer. In FIG. 1, in the electrode catalyst layer (1) and the electrode catalyst layer (2), in addition to the conductive carriers 101 and 102, catalyst particles supported on the conductive carrier, solid polymer electrolyte, and the like May be included, but is omitted for convenience of explanation.

導電性担体の2次粒子とは、上述した通り、一次粒子が複数個凝集した粒子群を意味する。導電性担体の2次粒子は、一次粒子が、好ましくは2〜30個、より好ましくは2〜15個凝集した粒子群を意味する。   The secondary particles of the conductive carrier mean a particle group in which a plurality of primary particles are aggregated as described above. The secondary particles of the conductive carrier mean a particle group in which primary particles are preferably aggregated in an amount of 2 to 30, more preferably 2 to 15.

導電性担体の1次粒子とは1つの粒子を意味する。本発明の電極触媒層に用いられる導電性担体の平均一次粒子径は、好ましくは5〜200nm、より好ましくは10〜100nmとするのがよい。前記導電性担体の平均一次粒子径が、5nm未満であると電極触媒層内の空隙率が減少して十分なガス拡散性が得られない恐れがあり、200nmを超えると電極触媒層内に導電性担体を均一に分散することが困難となりガス拡散性が低下する恐れがある。   The primary particle of the conductive carrier means one particle. The average primary particle diameter of the conductive carrier used in the electrode catalyst layer of the present invention is preferably 5 to 200 nm, more preferably 10 to 100 nm. If the average primary particle size of the conductive support is less than 5 nm, the porosity in the electrode catalyst layer may decrease and sufficient gas diffusivity may not be obtained. It is difficult to uniformly disperse the functional carrier, and gas diffusibility may be reduced.

本発明の電極触媒層において、導電性担体の平均二次粒子径は、好ましくは1μm未満、より好ましくは0.02〜0.90μm、特に好ましくは0.05〜0.75μmとするのがよい。前記平均二次粒子径が1μmを超えると電極触媒層において均一に分散することが困難となり、ガス拡散性が低下するだけでなく、電極触媒層の厚みを適切な範囲に制御するのが困難となる恐れがある。従って、本発明では、平均二次粒子径が前記範囲内となるようにして、電極触媒層(1)と電極触媒層(2)とで平均二次粒子径が異なるように導電性担体を配置する。   In the electrode catalyst layer of the present invention, the average secondary particle diameter of the conductive support is preferably less than 1 μm, more preferably 0.02 to 0.90 μm, and particularly preferably 0.05 to 0.75 μm. . When the average secondary particle diameter exceeds 1 μm, it is difficult to uniformly disperse in the electrode catalyst layer, and not only gas diffusibility is lowered, but also it is difficult to control the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range. There is a fear. Therefore, in the present invention, the conductive support is disposed so that the average secondary particle diameter is different in the electrode catalyst layer (1) and the electrode catalyst layer (2) so that the average secondary particle diameter is within the above range. To do.

なお、本発明において、導電性担体の平均二次粒子径の測定は、走査型電子顕微鏡を使用し、加速電圧5kVの条件で電極触媒層断面を5箇所撮影した電子顕微鏡写真(倍率:50万倍)で、各写真中の任意の二次粒子50個の最大粒子径を測定し、5箇所の平均値により求めた値をいう。また、導電性担体の平均一次粒子径の測定は、上記と同様にして電極触媒層表面を5箇所撮影した透過型電子顕微鏡写真中、任意の一次粒子50個の粒子径を測定し、5箇所の平均値により求めた値をいう。   In the present invention, the average secondary particle diameter of the conductive carrier is measured by using an electron microscope photograph (magnification: 500,000) obtained by photographing five cross sections of the electrode catalyst layer using a scanning electron microscope under the condition of an acceleration voltage of 5 kV. The maximum particle diameter of 50 arbitrary secondary particles in each photograph is measured, and the value obtained from the average value of 5 locations is used. In addition, the average primary particle diameter of the conductive carrier was measured by measuring the particle diameter of 50 arbitrary primary particles in a transmission electron micrograph obtained by photographing the surface of the electrode catalyst layer at five positions in the same manner as described above. The value obtained from the average value of.

前記電極触媒層(1)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)と、前記電極触媒層(2)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)との比率は、好ましくは0.05<D/D<1、より好ましくは0.1<D/D<0.85とする。これにより、電極触媒層から水分をより効率的に排除することができる。 The average secondary particle diameter (D 1 ) of the conductive carrier contained in the electrode catalyst layer (1) and the average secondary particle diameter (D 2) of the conductive carrier contained in the electrode catalyst layer ( 2 ). The ratio is preferably 0.05 <D 1 / D 2 <1, more preferably 0.1 <D 1 / D 2 <0.85. Thereby, water can be more efficiently removed from the electrode catalyst layer.

電極触媒層を3層以上の構造とする場合には、電極触媒層(1)と電極触媒層(2)との間に、さらに他の電極触媒層が形成されればよい。この時、電極触媒層(1)と電極触媒層(2)との間の電極触媒層に含まれる導電性担体の平均二次粒子径を、電極触媒層(1)に含まれる導電性担体の平均二次粒子径(D)と電極触媒層(2)に含まれる導電性担体の平均二次粒子径(D)の間となるようにするのが好ましく、厚さ方向に向かって導電性担体の平均二次粒子径が傾斜的に大きくさせるのがより好ましい。 When the electrode catalyst layer has a structure of three or more layers, another electrode catalyst layer may be formed between the electrode catalyst layer (1) and the electrode catalyst layer (2). At this time, the average secondary particle diameter of the electroconductive carrier contained in the electrode catalyst layer between the electrocatalyst layer (1) and the electrode catalyst layer (2) is defined as the value of the electroconductive carrier contained in the electrode catalyst layer (1). The average secondary particle diameter (D 1 ) is preferably between the average secondary particle diameter (D 2 ) of the conductive support contained in the electrode catalyst layer (2), and is conductive in the thickness direction. More preferably, the average secondary particle diameter of the functional carrier is increased in a gradient manner.

本発明の電極触媒層に用いられる導電性担体は、電極反応を促進させる触媒粒子を担持させる担体として用いられるものである。前記導電性担体としては、触媒粒子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、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、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。また、耐食性に優れることから、前記カーボン粒子は黒鉛化されてなるものも好ましく用いられる。   The conductive support used in the electrode catalyst layer of the present invention is used as a support for supporting catalyst particles that promote the electrode reaction. The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specifically, carbon particles such as carbon black such as ketjen black, channel black, furnace black and thermal black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like can be mentioned. In addition, since the carbon particles are excellent in corrosion resistance, graphitized carbon particles are preferably used.

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。   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.

前記導電性担体の一次粒子における比表面積は、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。前記比表面積が、20m/g未満であると前記導電性担体への触媒粒子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、1600m/gを超えると触媒粒子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 specific surface area of the primary particles of the conductive carrier is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. The specific surface area, 20 m 2 / dispersibility of catalyst particles and a 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 particle and a solid polymer electrolyte may fall on the contrary.

なお、前記電極触媒層(1)および前記電極触媒層(2)などの各電極触媒層では、用いる導電性担体の平均二次粒子径が異なるが、前記導電性担体に担持させる触媒粒子および固体高分子電解質などは同様のものが用いられる。従って、以下では、各電極触媒層における固体高分子電解質および触媒粒子などについての説明を一括して記載する。   In each of the electrode catalyst layers such as the electrode catalyst layer (1) and the electrode catalyst layer (2), the average secondary particle diameter of the conductive carrier used is different, but the catalyst particles and solids supported on the conductive carrier are different. The same polymer electrolyte is used. Therefore, in the following, descriptions of the solid polymer electrolyte and catalyst particles in each electrode catalyst layer will be described collectively.

本発明において、上述した導電性担体は、触媒粒子が担持された電極触媒として電極触媒層に用いられる。   In the present invention, the above-described conductive carrier is used in the electrode catalyst layer as an electrode catalyst on which catalyst particles are supported.

前記触媒粒子として、具体的には、水素の酸化反応および/または酸素の還元反応に触媒作用を有することが求められ、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。また、触媒粒子は、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、白金と、その他の金属との合金としてもよい。前記合金として、具体的には、白金と、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、およびアルミニウムなどから選択される少なくとも1種以上の金属との合金などが挙げられる。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。   Specifically, the catalyst particles are required to have a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen and / or the reduction reaction of oxygen, and those containing at least platinum are preferably used. Further, the catalyst particles may be an alloy of platinum and other metals in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, and the like. Specifically, the alloy is at least selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. Examples thereof include alloys with one or more metals. 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.

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.

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、酸素極側電極触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1.5〜20nm、より好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmとするのがよい。   The smaller the average particle diameter of the catalyst particles, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in reality the phenomenon that the oxygen reduction activity decreases if the average particle diameter is too small. Is seen. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the oxygen electrode side electrode catalyst layer is preferably 1.5 to 20 nm, more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm.

なお、本発明においては、X線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径の平均値を触媒粒子の平均粒子径として用いる。かような方法としては従来一般的な方法を用いて行えばよいが、例えば、次のような方法が用いられる。触媒粒子を粉末X線回折リートベルト解析プログラムRIETAN−2000などにより解析し、得られた解析結果から所定の結晶面(hkl)回折線の半値幅Bhkl(ラジアン)を求める。そして、シェラーの式:Dhkl=Kλ/Bhkl cosθhklにより、触媒粒子の(hKl)結晶面に垂直な方向の結晶子径の平均値Dhkl(nm)を算出する。ここで、定数Kは0.89、λはX線の波長(nm)、θhkl は回折角(゜)である。例えば、立方晶の白金粒子、白金合金粒子などについては(111)面に垂直な方向の結晶子径の平均値を平均粒子径として採用する。   In the present invention, the average value of the crystallite diameters obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction is used as the average particle diameter of the catalyst particles. As such a method, a conventional general method may be used. For example, the following method is used. The catalyst particles are analyzed by a powder X-ray diffraction Rietveld analysis program such as RIETAN-2000, and a half-value width Bhkl (radian) of a predetermined crystal plane (hkl) diffraction line is obtained from the obtained analysis result. Then, an average value Dhkl (nm) of crystallite diameters in the direction perpendicular to the (hKl) crystal plane of the catalyst particles is calculated by Scherrer's formula: Dhkl = Kλ / Bhkl cos θhkl. Here, the constant K is 0.89, λ is the X-ray wavelength (nm), and θhkl is the diffraction angle (°). For example, for cubic platinum particles, platinum alloy particles, etc., the average value of the crystallite diameters in the direction perpendicular to the (111) plane is adopted as the average particle diameter.

前記導電性担体に触媒粒子が担持された電極触媒において、触媒粒子の担持量は、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%を超えると触媒粒子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。   In the electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst particles 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 particles on the conductive carrier 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 supported amount is less than 10% by mass, the catalyst 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.

電極触媒層には、電極触媒の他に、固体高分子電解質が含まれる。前記固体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。具体的には、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Flemion(登録商標、旭硝子株式会社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体、などが挙げられる。   The electrode catalyst layer contains a solid polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The solid polymer electrolyte is not particularly limited and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Specifically, perfluorocarbon polymers having sulfonic acid groups such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), phosphoric acid, and the like. Hydrocarbon polymer compound doped with inorganic acid such as organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, polymer matrix impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution And proton conductors.

電極触媒層における固体高分子電解質の含有量は、電極触媒層に含まれる導電性担体の全量に対して、好ましくは10〜70質量%、より好ましくは15〜40質量%とする。これにより、電極触媒層内の空隙などを所望の値に調整することができる。   The content of the solid polymer electrolyte in the electrode catalyst layer is preferably 10 to 70% by mass, more preferably 15 to 40% by mass, based on the total amount of the conductive carrier contained in the electrode catalyst layer. Thereby, the space | gap etc. in an electrode catalyst layer can be adjusted to a desired value.

本発明の電極触媒層において、前記電極触媒層(1)の平均気孔径(E)を、前記電極触媒層(2)の平均気孔径(E)より小さくするのが望ましい。これにより、電極触媒層の排水性をより向上させることができる。より望ましくは、前記電極触媒層(1)の平均気孔径(E)と、前記電極触媒層(2)の平均気孔径(E)との比率が、0.1<E/E<1、特に0.15<E/E<0.92とする。前記E/Eが、0.1未満であると排水性がは向上するものの却って保水性が低下して電極触媒層内が乾燥し易くなり、電極触媒層のプロトン伝導性を低下させる恐れがあり、1を超えると電極触媒層の排水性が低下する恐れがある。 In the electrode catalyst layer of the present invention, it is desirable that the average pore diameter (E 1 ) of the electrode catalyst layer ( 1 ) is smaller than the average pore diameter (E 2 ) of the electrode catalyst layer (2). Thereby, the drainage of an electrode catalyst layer can be improved more. More preferably, the ratio between the average pore diameter (E 1 ) of the electrode catalyst layer ( 1 ) and the average pore diameter (E 2 ) of the electrode catalyst layer (2) is 0.1 <E 1 / E 2. <1, especially 0.15 <E 1 / E 2 <0.92. If E 1 / E 2 is less than 0.1, the drainage performance is improved, but the water retention is decreased and the inside of the electrode catalyst layer is easily dried, which may reduce the proton conductivity of the electrode catalyst layer. If it exceeds 1, the drainage of the electrode catalyst layer may be deteriorated.

なお、本発明において、電極触媒層の平均気孔径は、水銀圧入法により求めた気孔径分布において観察された主ピークの位置を意味する。   In the present invention, the average pore size of the electrode catalyst layer means the position of the main peak observed in the pore size distribution determined by the mercury intrusion method.

また、電極触媒層を3層以上の構造とする場合、電極触媒層(1)と電極触媒層(2)との間に配置される他の電極触媒層の平均気孔径は、電極触媒層(1)の平均気孔径(E)と電極触媒層(2)の平均気孔径(E)の間となるようにするのが好ましく、厚さ方向に向かって平均気孔径を傾斜的に大きくさせるのがより好ましい。 When the electrode catalyst layer has a structure of three or more layers, the average pore diameter of the other electrode catalyst layer disposed between the electrode catalyst layer (1) and the electrode catalyst layer (2) It is preferable to be between the average pore diameter (E 1 ) of 1 ) and the average pore diameter (E 2 ) of the electrode catalyst layer (2), and the average pore diameter increases gradually in the thickness direction. More preferably.

本発明の電極触媒層において、前記電極触媒層(1)の空隙率(V)と、前記電極触媒層(2)の空隙率(V)との比率(V/V)は、好ましくは0.15<V/V<1、より好ましくは0.6<V/V<0.95とする。前記V/Vが、0.6未満であると電極触媒層の排水性は向上するものの却って保水性が低下して電極触媒層内が乾燥し易くなり、電極触媒層のプロトン伝導性を低下させる恐れがあり、0.95を超えると電極触媒層の排水性が低下する恐れがある。 In the electrode catalyst layer of the present invention, the ratio (V 1 / V 2 ) between the porosity (V 1 ) of the electrode catalyst layer ( 1 ) and the porosity (V 2 ) of the electrode catalyst layer ( 2 ) is: preferably 0.15 <V 1 / V 2 < 1, more preferably from 0.6 <V 1 / V 2 < 0.95. If V 1 / V 2 is less than 0.6, the drainage of the electrode catalyst layer is improved, but the water retention is decreased and the inside of the electrode catalyst layer is easily dried, so that the proton conductivity of the electrode catalyst layer is increased. If it exceeds 0.95, the drainage of the electrode catalyst layer may be reduced.

前記電極触媒層の全体の空隙率は、好ましくは10〜90体積%、より好ましくは30〜70体積%である。前記空隙率が、10体積%未満であるとガス拡散性が低下する恐れがあり、90体積%を超えると強度が低下して電極触媒層の構造を安定して維持するのが困難となる恐れがある。なお、本発明において、前記電極触媒層の空隙率は、単位体積あたりに充填されている電極触媒層構成材料の重量と密度より算出した値を意味する。   The porosity of the entire electrode catalyst layer is preferably 10 to 90% by volume, more preferably 30 to 70% by volume. If the porosity is less than 10% by volume, gas diffusibility may be lowered, and if it exceeds 90% by volume, the strength may be lowered and it may be difficult to stably maintain the structure of the electrode catalyst layer. There is. In the present invention, the porosity of the electrode catalyst layer means a value calculated from the weight and density of the electrode catalyst layer constituting material filled per unit volume.

電極触媒層において、電極触媒層(1)の厚さ(t)と、電極触媒層(2)の厚さ(t)とは、0.1<t/t<5、好ましくは0.15<t/t<3とするのがよい。前記t/tが、0.1未満であると電極触媒層の排水性は向上するものの却って保水性が低下して電極触媒層内が乾燥し易くなり、電極触媒層のプロトン伝導性を低下させる恐れがあり、5を超えると電極触媒層の排水性が低下する恐れがある。 In the electrode catalyst layer, the thickness (t 1 ) of the electrode catalyst layer ( 1 ) and the thickness (t 2 ) of the electrode catalyst layer (2) are 0.1 <t 1 / t 2 <5, preferably It is preferable that 0.15 <t 1 / t 2 <3. If the t 1 / t 2 is less than 0.1, the drainage of the electrode catalyst layer is improved, but the water retention is decreased and the inside of the electrode catalyst layer is easily dried, and the proton conductivity of the electrode catalyst layer is increased. If it exceeds 5, the drainage of the electrode catalyst layer may be reduced.

電極触媒層の全体の厚さは、1〜50μm、好ましくは5〜30μmとするのがよい。前記厚さが、1μm未満であると均一な成膜が困難となるだけでなく、本発明による電極触媒層の積層構造を形成するのが困難となる恐れがあり、50μmを超えるとガス拡散性の低下を招く恐れがある。なお、本発明において、電極触媒層の厚さは、電極触媒層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影した写真により測定することができる。   The total thickness of the electrode catalyst layer is 1 to 50 μm, preferably 5 to 30 μm. If the thickness is less than 1 μm, not only uniform film formation is difficult, but also it may be difficult to form a laminated structure of the electrode catalyst layer according to the present invention. There is a risk of lowering. In addition, in this invention, the thickness of an electrode catalyst layer can be measured with the photograph which image | photographed the cross section of the electrode catalyst layer with the scanning electron microscope (SEM).

本発明の電極触媒層の製造方法としては、従来公知の方法を適宜参照して用いることができる。   As a method for producing the electrode catalyst layer of the present invention, conventionally known methods can be appropriately referred to and used.

まず、導電性担体に触媒粒子を担持させて電極触媒を作製した後、前記電極触媒および固体高分子電解質を水やアルコール系溶媒に混合して、所定の平均二次粒子径を有する導電性担体を含む電極触媒インクを調製する。これと同様にして、平均二次粒子径が異なる導電性担体を含む電極触媒インクを複数調製する。次に、得られる電極触媒層が導電性担体の平均二次粒子径が異なる少なくとも二層以上で構成されるように、先に調製した各電極触媒インクを基材上に塗布および乾燥させる工程を繰り返して行う。この時、電極触媒インクの導電性担体の添加量、塗布量などを調整することにより、得られる電極触媒層の空隙率、厚さなどを調整することができる。   First, an electrocatalyst is prepared by supporting catalyst particles on an electroconductive carrier, and then the electrocatalyst and the solid polymer electrolyte are mixed with water or an alcohol solvent to form an electroconductive carrier having a predetermined average secondary particle size. An electrode catalyst ink containing is prepared. In the same manner, a plurality of electrode catalyst inks containing conductive carriers having different average secondary particle sizes are prepared. Next, a step of applying and drying each of the electrode catalyst inks prepared above on the substrate so that the obtained electrode catalyst layer is composed of at least two layers having different average secondary particle diameters of the conductive carrier. Repeat. At this time, the porosity, thickness, etc. of the obtained electrode catalyst layer can be adjusted by adjusting the addition amount, coating amount, etc. of the electroconductive carrier of the electrode catalyst ink.

前記導電性担体に触媒粒子を担持させるには、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法を用いて行えばよい。また、所定の一次粒子径を有する導電性担体を用いたものであれば、市販されている電極触媒を用いることができる。   In order to support the catalyst particles on the conductive carrier, a known method such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) is used. Just do it. Moreover, a commercially available electrode catalyst can be used if it uses the electroconductive support | carrier which has a predetermined primary particle diameter.

前記電極触媒および固体高分子電解質を水やアルコール系溶媒に混合して、電極触媒インクを調製する際に、攪拌時間などを調整することにより導電性担体の分散性を調整するのがよい。これにより、導電性担体の平均二次粒子径、得られる電極触媒層における空隙率などを調整できる。攪拌手段としては、ホモジナイザー、超音波分散装置、ジェットミル、ビーズミルなどの公知の手段を用いて行えばよい。   When preparing the electrode catalyst ink by mixing the electrode catalyst and the solid polymer electrolyte with water or an alcohol solvent, it is preferable to adjust the dispersibility of the conductive carrier by adjusting the stirring time and the like. Thereby, the average secondary particle diameter of an electroconductive support | carrier, the porosity in the electrode catalyst layer obtained can be adjusted. As the stirring means, a known means such as a homogenizer, an ultrasonic dispersion device, a jet mill, a bead mill or the like may be used.

電極触媒インクを塗布する基材としては、MEAに用いる固体高分子電解質膜、ガス拡散層の他、PTFE製シートなどを用いることもできる。また、基材として固体高分子電解質膜およびガス拡散層を用いて、固体高分子電解質膜上に電極触媒層(1)を作成し、ガス拡散層上に電極触媒層(2)を作成し、これらをホットプレスなどにより接合する方法によっても本発明の電極触媒層を作成することができる。基材上に前記電極触媒インクを塗布するには、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、公知の方法を用いて行うことができる。   As a base material on which the electrode catalyst ink is applied, a PTFE sheet or the like can be used in addition to the solid polymer electrolyte membrane and gas diffusion layer used in MEA. Moreover, using the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer as a base material, an electrode catalyst layer (1) is created on the solid polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer (2) is created on the gas diffusion layer, The electrode catalyst layer of the present invention can also be produced by a method of joining them by hot pressing or the like. The electrocatalyst ink can be applied onto the substrate using a known method such as a die coater method, a screen printing method, a doctor blade method, or a spray method.

上述した本発明の電極触媒層は、排水性が向上されることにより、電極触媒層における導電性担体の腐食消失およびフラッディング現象などを抑制することができる。従って、前記電極触媒層によれば、耐久性に優れる燃料電池用膜−電極接合体を提供することができる。   The above-described electrode catalyst layer of the present invention can suppress the disappearance of corrosion of the conductive carrier in the electrode catalyst layer, the flooding phenomenon, and the like by improving drainage. Therefore, according to the electrode catalyst layer, it is possible to provide a fuel cell membrane-electrode assembly having excellent durability.

本発明の第二は、上述した電極触媒層を用いた燃料電池用膜−電極接合体(単に「MEA」とも記載する)である。前記MEAの構成は、本発明の第一の電極触媒層を用いる以外は特に制限されず、従来公知のMEAと同様である。   A second aspect of the present invention is a fuel cell membrane-electrode assembly (also simply referred to as “MEA”) using the above-described electrode catalyst layer. The configuration of the MEA is not particularly limited except that the first electrode catalyst layer of the present invention is used, and is the same as a conventionally known MEA.

前記MEAの構成としては、例えば、酸素極側電極触媒層および燃料極側電極触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、さらにこれをガス拡散層が挟持してなる燃料電池用膜−電極接合体において、前記酸素極側電極触媒層および前記燃料極側電極触媒層のうち少なくとも一方が、本発明の第一の電極触媒層である構成などが挙げられる。電極触媒層内の水分は導電性担体の平均二次粒子径が大きい方向に向かって移動が促進される。また、電極触媒層内の水分はガス拡散層を介して外部へ排出させるのが望ましい。従って、前記MEAでは、本発明の第一の電極触媒層が有する前記電極触媒層(1)と前記固体高分子電解質膜とが接触して配置されるのがよい。これにより、電極触媒層内の水分を系外に排出させて、耐久性に優れるMEAとすることができる。   The MEA has a configuration in which, for example, an oxygen electrode-side electrode catalyst layer and a fuel electrode-side electrode catalyst layer are arranged to face both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and further a gas diffusion layer is sandwiched between them. Examples of the membrane-electrode assembly for a battery include a configuration in which at least one of the oxygen electrode side electrode catalyst layer and the fuel electrode side electrode catalyst layer is the first electrode catalyst layer of the present invention. Moisture in the electrode catalyst layer is promoted to move in the direction in which the average secondary particle diameter of the conductive carrier is large. Moreover, it is desirable to drain the water in the electrode catalyst layer to the outside through the gas diffusion layer. Therefore, in the MEA, the electrode catalyst layer (1) of the first electrode catalyst layer of the present invention and the solid polymer electrolyte membrane are preferably arranged in contact with each other. Thereby, the water | moisture content in an electrode catalyst layer can be discharged | emitted out of the system, and it can be set as MEA excellent in durability.

前記MEAにおいて、本発明の第一の電極触媒層は、燃料極側電極触媒層および酸素極側電極触媒層のうちいずれか一方に用いられればよいが、電極反応により水分を生じてフラッディング現象などを招き易い酸素極側電極触媒層に少なくとも用いられるのが好ましく、燃料極側電極触媒層および空気極側電極触媒層の双方に用いられるのがより好ましい。   In the MEA, the first electrode catalyst layer of the present invention may be used for either one of the fuel electrode side electrode catalyst layer and the oxygen electrode side electrode catalyst layer. It is preferably used at least for the oxygen electrode side electrode catalyst layer that tends to cause oxidization, and more preferably used for both the fuel electrode side electrode catalyst layer and the air electrode side electrode catalyst layer.

本発明のMEAに用いられる固体高分子電解質膜としては、特に限定されず、電極触媒層に用いたものと同様の固体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、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記固体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、各電極触媒層と固体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 solid 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 solid polymer electrolyte as that used for the electrode 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 resin membranes with sulfonic acid groups, and other commonly available solid polymer electrolyte membranes and polymer microporous membranes A membrane impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The solid polymer electrolyte used for the solid 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 solid polymer electrolyte From the viewpoint of improving the adhesion to the film, it is preferable to use the same one.

前記固体高分子電解質膜の厚さは、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15〜150μm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 solid 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 150 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.

次に、本発明のMEAに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず、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、50〜450μm程度とすればよい。厚さが、50μm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、450μm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。   Next, the gas diffusion layer used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and 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 is used as a base material. And what to do. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 50 to 450 μm. If the thickness is less than 50 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 450 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ために、前記基材に撥水剤が含まれているのが好ましい。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 in order to further improve water repellency and prevent 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。   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.

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、電極触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   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 an electrode 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MEAの製造方法としては、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層を作製し、これをガス拡散層で挟持した後にホットプレスする方法など、従来公知の方法を適宜参照して用いることができる。また、PTFE製シートなどの基材上に電極触媒層を作製した場合には、前記電極触媒層が形成されたPTFE製シートにより固体高分子電解質膜を前記電極触媒層が内側となるように挟持してホットプレスした後に、前記PTFE製シートを剥がし、得られた接合体をガス拡散層で挟持する方法などによりMEAを作製できる。   As a method for producing the MEA of the present invention, an electrocatalyst layer is prepared on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and this is used by appropriately referring to a conventionally known method such as hot pressing after sandwiching the electrode catalyst layer with a gas diffusion layer. be able to. When an electrode catalyst layer is formed on a substrate such as a PTFE sheet, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by the PTFE sheet on which the electrode catalyst layer is formed so that the electrode catalyst layer is on the inside. Then, after hot pressing, the PTFE sheet is peeled off, and the MEA can be produced by a method of sandwiching the obtained joined body with a gas diffusion layer.

ホットプレスは、好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行うのがよい。これにより固体高分子電解質膜と電極触媒層との接合性を高めることができる。   Hot pressing is preferably performed at 110 to 170 ° C. and a pressing pressure of 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. Thereby, the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced.

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

ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   When forming a carbon particle layer on a substrate in a gas diffusion layer, the carbon particles, water repellent, etc. are in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a slurry, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

上述した本発明のMEAは、排水性が向上された本発明の第一の電極触媒層を用いることにより、高い発電性能を長期に亘って維持することができる。従って、前記MEAを燃料電池に用いることにより、耐久性および発電性能に優れる燃料電池を提供することが可能となる。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。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。   The MEA of the present invention described above can maintain high power generation performance over a long period of time by using the first electrode catalyst layer of the present invention with improved drainage. Therefore, it becomes possible to provide a fuel cell excellent in durability and power generation performance by using the MEA in a fuel cell. 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, but in addition, there are alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and the like. Can be mentioned. Among these, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited.

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.

図2は、本発明の燃料電池の単セル構成の好ましい一例を示す模式断面図である。図3は、図2の単セルを複数積層してなる燃料電池スタック構成の好ましい一例を説明するための斜視図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a preferred example of the single cell configuration of the fuel cell of the present invention. FIG. 3 is a perspective view for explaining a preferred example of a fuel cell stack configuration in which a plurality of single cells of FIG. 2 are stacked.

図2において、固体高分子型燃料電池200の単セル201の基本的な構成は、固体高分子電解質膜210の両側に、燃料極側電極触媒層220aおよび燃料極側ガス拡散層230aからなる燃料極と、酸素極側電極触媒層220bおよび酸素極側ガス拡散層230bからなる酸素極とが、それぞれ対向して配置されてなるMEA240を有しており、さらにMEA240を、燃料極側セパレータ250aおよび酸素極側セパレータ250bで挟持されてなるものである。また、MEA240に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、燃料極側セパレータ250aおよび酸素極側セパレータ250bに、燃料極側電極触媒層220aおよび酸素極側電極触媒層220bと対向する面にそれぞれ複数箇所設けられた燃料ガス流路(供給溝)251aおよび酸化剤ガス流路(供給溝)251bなどを介して供給される。   In FIG. 2, the basic structure of the unit cell 201 of the solid polymer fuel cell 200 is a fuel comprising a fuel electrode side electrode catalyst layer 220a and a fuel electrode side gas diffusion layer 230a on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 210. And an oxygen electrode composed of an oxygen electrode side electrode catalyst layer 220b and an oxygen electrode side gas diffusion layer 230b. The MEA 240 is disposed opposite to each other, and the MEA 240 is further connected to the fuel electrode side separator 250a and It is sandwiched between oxygen electrode side separators 250b. In addition, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the MEA 240 are plural on the surface facing the fuel electrode side electrode catalyst layer 220a and the oxygen electrode side electrode catalyst layer 220b on the fuel electrode side separator 250a and the oxygen electrode side separator 250b. The fuel gas is supplied through a fuel gas flow path (supply groove) 251a and an oxidant gas flow path (supply groove) 251b provided in places.

前記単セル201を燃料電池(スタック)200に用いるには、前記単セル201を単独または2以上積層したスタック(積層スタック)を、さらに前記単セル201ないし積層スタックの厚さ方向の両側(両端)から一対のエンドプレート、すなわち燃料極側エンドプレート70および酸素極側エンドプレート80で締結することにより用いられる(図3参照のこと)。   In order to use the single cell 201 for the fuel cell (stack) 200, a single cell 201 or a stack in which two or more single cells 201 are stacked (stacked stack) is further added to both sides (both ends) of the single cell 201 or the stacked stack. ) To a pair of end plates, that is, a fuel electrode side end plate 70 and an oxygen electrode side end plate 80 (see FIG. 3).

燃料電池スタック200の構成として、より詳しくは、図2、3に示すように、複数の燃料電池単セル201が積層されたスタック部20を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、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ため、適用が好ましい。   More specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the configuration of the fuel cell stack 200 includes a stack unit 20 in which a plurality of fuel cell single cells 201 are stacked, and is used as a power source. Applications of the power source include, for example, stationary devices, consumer portable devices such as mobile phones, emergency devices, outdoor devices such as leisure and construction power sources, and mobile objects such as automobiles with limited mounting space. In particular, the mobile power supply is preferably applied because a high output voltage is required after a relatively long period of shutdown.

燃料電池単セル201は、スタックを形成した際に、良好な耐久性を発揮し得る構造を備えており、燃料電池スタック200は、良好な耐久性を有する。   The fuel cell unit cell 201 has a structure that can exhibit good durability when a stack is formed, and the fuel cell stack 200 has good durability.

スタック部20の両側には、集電板30、40、絶縁板50、60およびエンドプレート70、80が配置される。集電板30、40は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材から形成され、また、スタック部20で生じた起電力を出力するための出力端子35、45が設けられている。絶縁板50、60は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。   On both sides of the stack part 20, current collecting plates 30, 40, insulating plates 50, 60 and end plates 70, 80 are arranged. The current collecting plates 30 and 40 are made of a gas impermeable conductive member such as dense carbon or copper plate, and are provided with output terminals 35 and 45 for outputting electromotive force generated in the stack portion 20. . The insulating plates 50 and 60 are formed from an insulating member such as rubber or resin.

エンドプレート70、80は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンドプレート70、80は、燃料ガス(例えば、水素)、酸化剤ガス(例えば、酸素)および冷却水を流通させるために、燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガス導入口74、酸化剤ガス排出口75、冷却水導入口77、および冷却水排出口78を有する。   The end plates 70 and 80 are formed of a material having rigidity, for example, a metal material such as steel. The end plates 70 and 80 are provided with a fuel gas inlet 71, a fuel gas outlet 72, and an oxidant gas inlet 74 in order to circulate fuel gas (for example, hydrogen), oxidant gas (for example, oxygen), and cooling water. And an oxidant gas outlet 75, a cooling water inlet 77, and a cooling water outlet 78.

スタック部20、集電板30、40、絶縁板50、60およびエンドプレート70、80の四隅には、タイロッド90が挿通される貫通孔が配置される。タイロッド90は、その端部に形成される雄ねじ部に、ナット(図示せず)が螺合され、燃料電池スタック200の内部(スタック部20)をエンドプレート70、80により締結する。スタック形成のための荷重は、燃料電池単セル201(MEA240)の積層方向に作用し、燃料電池単セル201を押し圧状態に保持する。   Through holes through which the tie rods 90 are inserted are arranged at the four corners of the stack unit 20, current collecting plates 30 and 40, insulating plates 50 and 60, and end plates 70 and 80. The tie rod 90 is screwed with a nut (not shown) to a male screw portion formed at an end portion thereof, and the inside of the fuel cell stack 200 (stack portion 20) is fastened by the end plates 70 and 80. The load for forming the stack acts in the stacking direction of the fuel cell single cells 201 (MEA 240) to hold the fuel cell single cells 201 in a pressed state.

タイロッド90は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料から形成され、また、燃料電池単セル201同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理された表面部を有する。タイロッド90の設置本数は、4本(四隅)に限定されない。タイロッド90の締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。   The tie rod 90 is formed of a material having rigidity, for example, a metal material such as steel, and has an insulating surface portion to prevent an electrical short circuit between the fuel cell single cells 201. The number of tie rods 90 installed is not limited to four (four corners). The fastening mechanism of the tie rod 90 is not limited to screwing, and other means can be applied.

燃料電池単セル201は、上述したように、MEA240、セパレータ250a,250bを有し、更にガスケット260を有してなる構成が望ましい。MEA240は、電解質膜210と、電解質膜210を挟んで配置される燃料極側電極(触媒層220a及びガス拡散層230a)及び酸素極側電極(触媒層220b及びガス拡散層230b)を有する。セパレータ250a、250bは、MEA240の外面に配置される。セパレータ250aは、燃料ガスを流通させるための流路を構成する溝部を有し、エンドプレート70に配置される燃料ガス導入口71および燃料ガス排出口72に接続されている。セパレータ250bは、酸化剤ガスを流通させるための流路251bを構成する溝部を有し、エンドプレート80に配置される酸化剤ガス導入口74および酸化剤ガス排出口75に接続されている。   As described above, the fuel cell unit cell 201 preferably includes the MEA 240, the separators 250a and 250b, and the gasket 260. The MEA 240 includes an electrolyte membrane 210, a fuel electrode side electrode (catalyst layer 220a and gas diffusion layer 230a) and an oxygen electrode side electrode (catalyst layer 220b and gas diffusion layer 230b) arranged with the electrolyte membrane 210 interposed therebetween. Separator 250a, 250b is arrange | positioned on the outer surface of MEA240. The separator 250 a has a groove portion that constitutes a flow path for circulating fuel gas, and is connected to a fuel gas inlet 71 and a fuel gas outlet 72 arranged in the end plate 70. The separator 250 b has a groove portion that constitutes a flow path 251 b for circulating the oxidant gas, and is connected to the oxidant gas introduction port 74 and the oxidant gas discharge port 75 arranged in the end plate 80.

なお、セパレータ250a、250bは、冷却水を流通させるための流路(図示せず)を有しており、エンドプレート70、80に配置される冷却水導入口77および冷却水排出口78に接続されている。   The separators 250a and 250b have flow paths (not shown) for circulating cooling water, and are connected to a cooling water inlet 77 and a cooling water outlet 78 arranged in the end plates 70 and 80. Has been.

次に、ガスケット260は、MEA240の表面に位置する電極の外周を、取り囲むように配置されるシール部材であり、接着層(図示せず)を介して、MEA240の電解質膜210の外面に固定される構成を有していてもよい。ガスケット260は、セパレータとMEAとのシール性を確保する機能を有している。なお、必要に応じて用いられる接着層は、接着性を確保することを考慮すると、ガスケット260の形状に対応し、電解質膜の全周縁部に、額縁状に配置されることが好ましい。   Next, the gasket 260 is a sealing member disposed so as to surround the outer periphery of the electrode located on the surface of the MEA 240, and is fixed to the outer surface of the electrolyte membrane 210 of the MEA 240 via an adhesive layer (not shown). You may have the structure which is. The gasket 260 has a function of ensuring a sealing property between the separator and the MEA. Note that the adhesive layer used as necessary preferably corresponds to the shape of the gasket 260 and is arranged in a frame shape on the entire peripheral edge of the electrolyte membrane in consideration of securing adhesiveness.

以上のように、燃料電池スタック200を形成した際に、良好な耐久性を発揮し得る燃料電池、および良好な耐久性を有する燃料電池スタックを提供することが可能である。   As described above, it is possible to provide a fuel cell that can exhibit good durability when the fuel cell stack 200 is formed, and a fuel cell stack having good durability.

また、燃料電池スタック200のエンドプレート70、80による締結機構は、内部を延長するタイロッド90を利用する形態に限定されず、外部を延長するテンションロッド(図示せず)を利用することも可能である。   Further, the fastening mechanism by the end plates 70 and 80 of the fuel cell stack 200 is not limited to the form using the tie rod 90 extending the inside, and a tension rod (not shown) extending the outside can also be used. is there.

また、本発明の燃料電池(スタック)200では、MEA240に含まれる電極触媒層220a、220bの排水性を向上させて、高い発電性能を長時間に亘って発揮させるためには、エンドプレート70、80の締結によりMEA240における電極に加えられる締結圧力を適切に調整するのが望ましい。   In the fuel cell (stack) 200 of the present invention, in order to improve the drainage of the electrode catalyst layers 220a and 220b included in the MEA 240 and to exhibit high power generation performance over a long period of time, the end plate 70, It is desirable to properly adjust the fastening pressure applied to the electrodes in MEA 240 by 80 fastenings.

すなわち、本発明の燃料電池(スタック)200では、前記締結によりMEA240における電極に加えられる締結圧力を、前記電極の単位面積あたり、好ましくは3〜9kgf/cm(0.3〜0.9Nm)とするのがよい。ここで用いることのできるMEA240としては、特に制限されるものではなく、従来公知のMEAを適宜利用することができる。既存のMEAを利用した場合でも、当該MEAに含まれる電極触媒層の排水性を向上させて、高い発電性能を長時間に亘って発揮させることができるためである。好ましくは、上記したような厚さ方向に向かって導電性担体の平均二次粒子径が大きくなる本発明の燃料電池用電極触媒層を用いてなるものが望ましい。特に、本発明の燃料電池用電極触媒層を電解質膜側からガス拡散層側に向かって導電性担体の平均二次粒子径が大きくなるように配置してなるものがより望ましい。 That is, in the fuel cell (stack) 200 of the present invention, the fastening pressure applied to the electrode in the MEA 240 by the fastening is preferably 3 to 9 kgf / cm 2 (0.3 to 0.9 Nm) per unit area of the electrode. It is good to do. The MEA 240 that can be used here is not particularly limited, and a conventionally known MEA can be appropriately used. This is because even when an existing MEA is used, drainage of the electrode catalyst layer included in the MEA can be improved and high power generation performance can be exhibited over a long period of time. It is preferable to use the fuel cell electrode catalyst layer of the present invention in which the average secondary particle diameter of the conductive carrier increases in the thickness direction as described above. In particular, the fuel cell electrode catalyst layer of the present invention is more preferably arranged so that the average secondary particle diameter of the conductive carrier increases from the electrolyte membrane side toward the gas diffusion layer side.

前記MEA240における電極に加えられる締結圧力を3kgf/cm以上(0.3Nm以上)とすることにより、固体高分子電解質膜210と、電極(220+230)と、セパレータ250a、250bとの接触性を十分に確保して高い発電性能を発揮することができる。また、前記締結圧力を9kgf/cm以下(0.9Nm以下)とすることにより、電極触媒層の排水性を向上させることができる他、ガス拡散層230a、230bやセパレータ250a、250bの構成材料による固体高分子電解質膜210の破損などを防止することができる。 By setting the fastening pressure applied to the electrodes in the MEA 240 to 3 kgf / cm 2 or more (0.3 Nm or more), sufficient contact between the solid polymer electrolyte membrane 210, the electrodes (220 + 230), and the separators 250a and 250b is sufficient. It is possible to ensure high power generation performance. Further, by making the fastening pressure 9 kgf / cm 2 or less (0.9 Nm or less), the drainage of the electrode catalyst layer can be improved, and the constituent materials of the gas diffusion layers 230a and 230b and the separators 250a and 250b It is possible to prevent the solid polymer electrolyte membrane 210 from being damaged by the above.

前記固体高分子電解質膜210の破損は、対向する電極触媒層220a、220b同士が接触して微小短絡を発生させる。このように微小短絡が生じた部位には、過度な電流が流れるため発熱し、固体高分子電解質膜210や電極触媒層220a、220bなどに含まれる固体高分子電解質を劣化させて、燃料電池の発電性能の低下を招く。   When the solid polymer electrolyte membrane 210 is broken, the electrode catalyst layers 220a and 220b facing each other come into contact with each other to generate a micro short circuit. In such a region where a short circuit occurs, heat is generated due to excessive current flowing, and the solid polymer electrolyte contained in the solid polymer electrolyte membrane 210, the electrode catalyst layers 220a, 220b, etc. is deteriorated, and the fuel cell The power generation performance is reduced.

なお、本発明の燃料電池200において電極とは、電極触媒層220a、220bおよびガス拡散層230a、230bを含む部位を意味する。前記締結により電極に印加される締結圧力を、前記電極の単位面積あたり所定の圧力にするが、酸素極および燃料極の各電極における単位面積あたり所定の圧力にするのがよい。   In the fuel cell 200 of the present invention, the electrode means a part including the electrode catalyst layers 220a and 220b and the gas diffusion layers 230a and 230b. The fastening pressure applied to the electrode by the fastening is set to a predetermined pressure per unit area of the electrode, but it is preferable to set a predetermined pressure per unit area in each electrode of the oxygen electrode and the fuel electrode.

さらに、本発明では、燃料電池200の運転条件とエンドプレート70、80の挟持(締結)により電極(220、230)に加わる締結とによって、電極触媒層220a、220bやガス拡散層230a、230bにおける空隙が変化し、ガス拡散経路や燃料電池反応による生成水、加湿ガス供給時の加湿水などの水移動経路が変化することが分かった。そのため、燃料電池200の運転条件の変化にともなって、高い排水性を維持しつつ高い発電性能を長期に亘って安定して発揮させるためには、エンドプレート70、80の挟持(締結)により電極に加わる締結圧力を、運転条件、特に外部から燃料電池(スタック)200に供給される供給ガスの相対湿度によってさらに最適化するのが望ましい。   Furthermore, in the present invention, in the electrode catalyst layers 220a and 220b and the gas diffusion layers 230a and 230b, the operating conditions of the fuel cell 200 and the fastening applied to the electrodes (220 and 230) by the clamping (fastening) of the end plates 70 and 80 are performed. It has been found that the air gap changes, and the water movement route such as the gas diffusion route, the water generated by the fuel cell reaction, and the humidified water when supplying the humidified gas changes. Therefore, as the operating conditions of the fuel cell 200 change, in order to stably exhibit high power generation performance over a long period while maintaining high drainage, the electrodes are clamped (fastened) between the end plates 70 and 80. It is desirable to further optimize the fastening pressure applied to the fuel cell according to the operating conditions, particularly the relative humidity of the supply gas supplied to the fuel cell (stack) 200 from the outside.

すなわち、燃料電池(スタック)200に供給される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの相対湿度が30%未満であるとき、MEA240における電極に印加される締結圧力を、前記電極の単位面積あたり7kgf/cm以上9kgf/cm以下(0.7Nm以上0.9Nm以下)とするのが好ましい。 That is, when the relative humidity of the fuel gas and / or oxidant gas supplied to the fuel cell (stack) 200 is less than 30%, the fastening pressure applied to the electrode in the MEA 240 is set to 7 kgf / unit per unit area of the electrode. preferably with cm 2 or more 9 kgf / cm 2 or less (0.7 Nm or more 0.9Nm less).

また、燃料電池(スタック)200に供給される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの相対湿度が30%以上50%未満であるとき、前記締結圧力を、前記電極の単位面積あたり5kgf/cm以上7kgf/cm未満(0.5Nm以上0.7Nm未満)とするのが好ましい。 When the relative humidity of the fuel gas and / or the oxidant gas supplied to the fuel cell (stack) 200 is 30% or more and less than 50%, the fastening pressure is 5 kgf / cm 2 or more per unit area of the electrode. It is preferable to be less than 7 kgf / cm 2 (0.5 Nm or more and less than 0.7 Nm).

さらに、燃料電池(スタック)200に供給される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの相対湿度が50%以上であるとき、前記締結圧力を、前記電極の単位面積あたり3kgf/cm以上5kgf/cm未満(0.3Nm以上0.5Nm未満)とするのが好ましい。 Further, when the relative humidity of the fuel gas and / or oxidant gas supplied to the fuel cell (stack) 200 is 50% or more, the fastening pressure is set to 3 kgf / cm 2 or more and 5 kgf / cm 2 per unit area of the electrode. It is preferable to be less than 2 (0.3 Nm or more and less than 0.5 Nm).

上述の通りにMEA240における電極に加わる締結圧力を調整するには、燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの相対湿度に併せて行うのが好ましい。燃料ガスと酸化剤ガスとで相対湿度が異なる場合には、加湿ガス供給時の加湿水などの水移動経路が特に変わり易いことから、酸化剤ガスの相対湿度に併せて行うのが好ましい。これにより、高い排水性および発電性能をより安定して発揮させることができる(後述する実施例11の表4及び図4〜5参照)。   In order to adjust the fastening pressure applied to the electrode in the MEA 240 as described above, it is preferable to adjust the fastening pressure in accordance with the relative humidity of the fuel gas and / or the oxidant gas. In the case where the relative humidity differs between the fuel gas and the oxidant gas, the water movement path such as humidified water at the time of supplying the humidified gas is particularly easy to change. Thereby, high drainage property and power generation performance can be more stably exhibited (see Table 4 of Example 11 and FIGS. 4 to 5 described later).

本発明の燃料電池200では、燃料電池スタック200に供給されるガスの湿度が運転条件などによって変化する場合において、上述の通り、外部から供給される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの相対湿度に合わせて、エンドプレート70、80の締結によりMEA240に加わる圧力を調整するのが望ましい。その際には、燃料電池スタック200に供給される前の燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの相対湿度を検知することにより得られた信号に合わせて、単セル201(ないし積層スタック20)を締結するエンドプレート70、80を可変移動させることによりMEA240に加わる締結圧力を調整する方法などを用いればよい。   In the fuel cell 200 of the present invention, when the humidity of the gas supplied to the fuel cell stack 200 varies depending on operating conditions, the relative humidity of the fuel gas and / or oxidant gas supplied from the outside is set as described above. In addition, it is desirable to adjust the pressure applied to the MEA 240 by fastening the end plates 70 and 80. At that time, the single cell 201 (or stacked stack 20) is fastened in accordance with a signal obtained by detecting the relative humidity of the fuel gas and / or the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack 200. A method of adjusting the fastening pressure applied to the MEA 240 by variably moving the end plates 70 and 80 to be used may be used.

なお、供給ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の相対湿度の測定(検知)は、燃料電池スタック200内に供給する前に行えばよいが、燃料電池スタック200内の各単セル201のセパレータ250a、250bのガス流路251a、251bに供給する前に行ってもよい。即ち、供給ガスが燃料電池200内で発電反応に利用される前であればよく、特に制限されるものではない。ただし、供給ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を加湿してから燃料電池(スタック)200内に供給する場合には、加湿した後の相対湿度を用いるものとする。これら供給ガスの相対湿度は、湿度センサなどの湿度計測装置を用いて測定(検知)することができる。   The relative humidity of the supply gas (fuel gas, oxidant gas) may be measured (detected) before being supplied into the fuel cell stack 200. However, the separator 250a of each single cell 201 in the fuel cell stack 200 may be used. , 250b may be performed before being supplied to the gas flow paths 251a and 251b. That is, the supply gas is not particularly limited as long as it is before being used for the power generation reaction in the fuel cell 200. However, when the supply gas (fuel gas, oxidant gas) is humidified and then supplied into the fuel cell (stack) 200, the relative humidity after humidification is used. The relative humidity of these supply gases can be measured (detected) using a humidity measuring device such as a humidity sensor.

また、燃料電池(スタック)200に供給される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスの湿度が一定の場合には、ガスの湿度に合わせて、エンドプレート70、80による締結圧力を調整して燃料電池を組立てればよい。   Further, when the humidity of the fuel gas and / or the oxidant gas supplied to the fuel cell (stack) 200 is constant, the fastening pressure by the end plates 70 and 80 is adjusted according to the humidity of the gas, and the fuel cell. Can be assembled.

本発明の燃料電池(スタック)200に用いられる燃料極側セパレータ250aとしては、燃料極側電極触媒層220aに対向する面に燃料極側電極触媒層220aに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路251aを少なくとも有するものであれば、従来公知のものを特に制限なく用いることができる。前記燃料極側セパレータ220aの平面内であって外縁部に位置する横方向両端側には、上述した燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガス導入口74、酸化剤ガス排出口75、冷却水導入口77、冷却水排出口78にそれぞれ接続されるように、入口側燃料ガス連通孔、入口側酸化剤ガス連通孔、入口側冷却媒体連通孔、出口側冷却媒体連通孔、出口側燃料ガス連通孔、及び出口側酸化剤ガス連通孔が形成され、更にはタイロッド90用の連通孔が形成されていてもよい。   The fuel electrode side separator 250a used in the fuel cell (stack) 200 of the present invention is a fuel gas flow for supplying fuel gas to the fuel electrode side electrode catalyst layer 220a on the surface facing the fuel electrode side electrode catalyst layer 220a. As long as it has at least the path 251a, a conventionally known one can be used without particular limitation. The fuel gas inlet 71, fuel gas outlet 72, oxidant gas inlet 74, and oxidant gas outlet described above are disposed at both ends in the lateral direction within the plane of the fuel electrode side separator 220 a and located at the outer edge. 75, an inlet side fuel gas communication hole, an inlet side oxidant gas communication hole, an inlet side cooling medium communication hole, an outlet side cooling medium communication hole, so as to be connected to the cooling water introduction port 77 and the cooling water discharge port 78, respectively. An outlet side fuel gas communication hole and an outlet side oxidant gas communication hole may be formed, and further a communication hole for the tie rod 90 may be formed.

また、前記酸素極側セパレータ250bは、酸素極側電極触媒層220bに対向する面に酸素極側電極触媒層220bに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路251bを少なくとも有するものであれば、従来公知のものを特に制限なく用いることができる。前記酸素極側セパレータ250bの平面内であって外縁部に位置する横方向両端側にも、上述した燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガス導入口74、酸化剤ガス排出口75、冷却水導入口77、冷却水排出口78にそれぞれ接続されるように、入口側燃料ガス連通孔、入口側酸化剤ガス連通孔、入口側冷却媒体連通孔、出口側冷却媒体連通孔、出口側燃料ガス連通孔、及び出口側酸化剤ガス連通孔が形成され、更にはタイロッド90用の連通孔が形成されていてもよい。   In addition, the oxygen electrode side separator 250b has at least an oxidant gas flow path 251b for supplying an oxidant gas to the oxygen electrode side electrode catalyst layer 220b on the surface facing the oxygen electrode side electrode catalyst layer 220b. For example, conventionally known ones can be used without particular limitation. The fuel gas inlet 71, the fuel gas outlet 72, the oxidant gas inlet 74, and the oxidant gas outlet described above are also provided at both ends in the lateral direction within the plane of the oxygen electrode separator 250b and located at the outer edge. 75, an inlet side fuel gas communication hole, an inlet side oxidant gas communication hole, an inlet side cooling medium communication hole, an outlet side cooling medium communication hole, so as to be connected to the cooling water introduction port 77 and the cooling water discharge port 78, respectively. An outlet side fuel gas communication hole and an outlet side oxidant gas communication hole may be formed, and further a communication hole for the tie rod 90 may be formed.

各セパレータ250a、250bに形成される燃料ガス流路251aおよび酸化剤ガス流路251bの形状は、特に制限されないが、燃料電池(スタック)200の排水性および発電性能を向上させる観点から所定の範囲内にするのが好ましい。   The shapes of the fuel gas channel 251a and the oxidant gas channel 251b formed in each separator 250a, 250b are not particularly limited, but are within a predetermined range from the viewpoint of improving the drainage and power generation performance of the fuel cell (stack) 200. It is preferable to be inside.

各セパレータ250a、250bに形成される燃料ガス流路251aおよび酸化剤ガス流路251bの溝幅(図2中、Wで示す)は、好ましくは0.5〜1.5mmとするのがよい。前記ガス流路251a、251bの溝幅Wが、0.5mm未満であると、燃料ガスや酸化剤ガスや水分の流れを低下させ、排水性や発電性能の低下を招く恐れがある。また、前記ガス流路251a、251bの溝幅Wが、1.5mmを超えると、ガス拡散層230a、230bなどの電極の構成材料が流路に落ち込み、燃料ガスや酸化剤ガスや水分の流れを低下させ、排水性や発電性能の低下を招く恐れがある。   The groove width (indicated by W in FIG. 2) of the fuel gas channel 251a and the oxidant gas channel 251b formed in each separator 250a, 250b is preferably 0.5 to 1.5 mm. If the groove width W of the gas flow paths 251a and 251b is less than 0.5 mm, the flow of fuel gas, oxidant gas and moisture may be reduced, leading to a decrease in drainage and power generation performance. When the groove width W of the gas flow paths 251a and 251b exceeds 1.5 mm, the constituent materials of the electrodes such as the gas diffusion layers 230a and 230b fall into the flow path, and the flow of fuel gas, oxidant gas, and moisture There is a risk that drainage and power generation performance will be reduced.

また、各セパレータ250a、250bに形成される燃料ガス流路251aおよび酸化剤ガス流路251bの溝深さ(図2中、Hで示す)は、好ましくは0.1〜1.2mmとするのがよい。前記ガス流路251a、251bの溝深さHが、0.1mm未満であると、ガス拡散層230a、230bなど電極の構成材料が流路に落ち込み、燃料ガスや酸化剤ガスや水分の流れを低下させ、排水性や発電性能の低下を招く恐れがある。また、前記ガス流路251a、251bの溝深さHが、1.2mmを超えると、セパレータ250の強度が低下する恐れがある。かような場合、セパレータを厚くして強度を確保することも考えられるが、単セル201を積層させた際に燃料電池200内部の積層スタック(スタック部20)のサイズが大型化する恐れがあるため、望ましくない。   Further, the groove depth (indicated by H in FIG. 2) of the fuel gas channel 251a and the oxidant gas channel 251b formed in each separator 250a, 250b is preferably 0.1 to 1.2 mm. Is good. When the groove depth H of the gas flow paths 251a and 251b is less than 0.1 mm, the constituent materials of the electrodes such as the gas diffusion layers 230a and 230b fall into the flow path, and the flow of fuel gas, oxidant gas, and moisture is reduced. This may reduce the drainage performance and power generation performance. Moreover, if the groove depth H of the gas flow paths 251a and 251b exceeds 1.2 mm, the strength of the separator 250 may be reduced. In such a case, it may be possible to secure the strength by increasing the thickness of the separator. However, when the single cells 201 are stacked, the size of the stack (stack portion 20) inside the fuel cell 200 may increase. Therefore, it is not desirable.

燃料極側および酸素極側に用いられるセパレータ250a、250b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、ステンレス等の金属製、セラミックス、ガラス、シリコン等の無機材料製、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタラート(PET)等の有機材料製、ガラス繊維入りエポキシ樹脂などの有機・無機複合材料等、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。   Separators 250a and 250b used on the fuel electrode side and oxygen electrode side include dense carbon graphite, carbon such as carbon plate, metal such as stainless steel, ceramic, glass, inorganic material such as silicon, epoxy resin, polyimide resin Any organic material such as polyethylene terephthalate (PET) or organic / inorganic composite material such as epoxy resin containing glass fiber can be used without limitation.

セパレータの厚さや大きさ、ガス流路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。前記セパレータは、隣接する単セル間の燃料極側セパレータと酸素極側セパレータとが一体化されたもの(バイポーラ型のセパレータ)を用いてもよい。   The thickness and size of the separator, the shape of the gas flow path, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell. As the separator, a fuel electrode side separator between adjacent single cells and an oxygen electrode side separator (bipolar separator) may be used.

本発明の燃料電池において、エンドプレート70、80の締結によりMEA240に圧力を加えるには、特に制限されないが、単セル201(ないし積層スタック20)を、厚さ方向の両側から燃料極側エンドプレート70および酸素極側エンドプレート80で挟持し、タイロッド90を締結ボルトなどの締結手段を用いて締結することにより圧力を加えることができる。また、前記締結ボルトの締め付けトルクなどをステッピングモータ(パルスモータ)を動かす方法などにより制御してエンドプレート70、80を厚さ方向に自在に可変移動し得るような従来公知の各種締結圧力調整手段を用い、供給ガスの相対湿度変化に呼応して締結圧力を適時調整(制御)することもできる。   In the fuel cell of the present invention, the pressure applied to the MEA 240 by fastening the end plates 70 and 80 is not particularly limited, but the single cell 201 (or the stacked stack 20) is inserted into the fuel electrode side end plate from both sides in the thickness direction. 70 and the oxygen electrode side end plate 80, and pressure can be applied by fastening the tie rod 90 using fastening means such as fastening bolts. Further, various conventionally known fastening pressure adjusting means for controlling the fastening torque of the fastening bolt by a method of moving a stepping motor (pulse motor) or the like so that the end plates 70 and 80 can be variably moved in the thickness direction. , And the fastening pressure can be adjusted (controlled) in a timely manner in response to changes in the relative humidity of the supply gas.

前記単セル201(ないし積層スタック20)の両側をエンドプレート70、80で挟持するには、前記単セル201(ないし積層スタック20)の両側を、集電板30、40と絶縁板50、60を介してエンドプレート70、80で挟み、タイロッド90を締結ボルトで両端から固定(締結)する方法などを用いて行えばよい。しかしながら、前記方法に限定されず、燃料電池を組立てる際の従来公知の技術を適宜参照して行えばよい。   In order to sandwich both sides of the single cell 201 (or the stacked stack 20) with the end plates 70, 80, both sides of the single cell 201 (or the stacked stack 20) are connected to the current collecting plates 30, 40 and the insulating plates 50, 60. It is sufficient to use a method in which the tie rod 90 is fixed (fastened) from both ends with fastening bolts. However, the present invention is not limited to the above method, and may be performed by appropriately referring to conventionally known techniques for assembling the fuel cell.

前記エンドプレート70、80は、従来公知のものであれば制限なく用いられる。また、前記エンドプレート70、80にも、上述した燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガス導入口74、酸化剤ガス排出口75、冷却水導入口77、冷却水排出口78にそれぞれ接続されるように、入口側燃料ガス連通孔、入口側酸化剤ガス連通孔、入口側冷却媒体連通孔、出口側冷却媒体連通孔、出口側燃料ガス連通孔、及び出口側酸化剤ガス連通孔が形成され、更にはタイロッド90用の連通孔が形成されていてもよい。   The end plates 70 and 80 can be used without limitation as long as they are conventionally known. The end plates 70 and 80 also have the above-described fuel gas inlet 71, fuel gas outlet 72, oxidant gas inlet 74, oxidant gas outlet 75, cooling water inlet 77, and cooling water outlet 78. The inlet side fuel gas communication hole, the inlet side oxidant gas communication hole, the inlet side cooling medium communication hole, the outlet side cooling medium communication hole, the outlet side fuel gas communication hole, and the outlet side oxidant gas. A communication hole may be formed, and further, a communication hole for the tie rod 90 may be formed.

また、本発明では、得られる燃料電池スタック200が所望の発電量を有するように、前記単セル201を2以上積層させて、得られた積層スタック(スタック部20)の両側を一対のエンドプレート70、80で挟持する構成を有していてもよい。   Further, in the present invention, two or more single cells 201 are laminated so that the obtained fuel cell stack 200 has a desired power generation amount, and a pair of end plates are provided on both sides of the obtained laminated stack (stack part 20). You may have the structure clamped by 70,80.

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited only to the following Example.

(実施例1)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、3時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の各電極触媒層(1)は、面積50mm×50mm、Pt担持量0.25mg/cm、厚さt=6μm、平均気孔径E=0.045μm、空隙率V=45%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.10μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
Example 1
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 3 hours to obtain an electrode catalyst ink 1. . The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. Each electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side thus obtained had an area of 50 mm × 50 mm, a Pt support amount of 0.25 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 6 μm, and an average pore diameter E 1 = 0. 045 μm, porosity V 1 = 45%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 = 0.10 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
カーボンペーパー(東レ社製TGP−H−060、厚さ180μm)を、55×55mm角に打ち抜いた後、PTFEのフッ素系樹脂の水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製D1、PTFE60質量%含有)を純水で所定の濃度に希釈した溶液中に2分浸漬させた後、オーブン内にて60℃、10分間乾燥させ、カーボンペーパーを撥水処理することによりガス拡散層を得た。このとき、カーボンペーパー中のPTFE含有量は25質量%であった。次に、前記ガス拡散層を、不活性ガス雰囲気下350℃にて5分間熱処理を行った。
2. Preparation of gas diffusion layer Carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 180 μm) was punched into a 55 × 55 mm square, and then an aqueous dispersion solution of PTFE fluororesin (D1, PTFE60 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) (Mass% content) was immersed in a solution diluted with pure water to a predetermined concentration for 2 minutes, then dried in an oven at 60 ° C. for 10 minutes, and the water-repellent treatment was performed on the carbon paper to obtain a gas diffusion layer. It was. At this time, the PTFE content in the carbon paper was 25% by mass. Next, the gas diffusion layer was heat-treated at 350 ° C. for 5 minutes in an inert gas atmosphere.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、2時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の各電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.25mg/cm、厚さt=9μm、平均気孔径E=0.058μm、空隙率V=55%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.15μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Then, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 2 hours to obtain an electrode catalyst ink 2. . This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained electrode catalyst layers (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side each have an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading amount of 0.25 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 9 μm, and an average pore diameter E 2 = 0.058 μm, porosity V 2 = 55%, ketjen black average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm, ketjen black average secondary particle diameter D 2 = 0.15 μm, solid polymer electrolyte and ketjen black The ratio by weight (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
燃料極側電極触媒層(1)と酸素極側電極触媒層(1)とが両面に形成された固体高分子電解質膜を、ガス拡散層に電極触媒層(2)が形成された2枚を用いて挟持した。その後、120℃、20kgf/cm(2Nm)の条件で、3分間ホットプレスすることにより膜−電極接合体を作製し、これをグラファイト製セパレータ(燃料ガス及び酸化剤ガス流路の溝幅(W)1.0mm、燃料ガス及び酸化剤ガス流路の溝深さ(H)1.0mm)で挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、電極に印加される締結圧力(以下、セル締結力とも称する)を、電極の単位面積あたり4.5kgf/cm(0.45Nm)として評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and single cell A solid polymer electrolyte membrane formed on both sides of a fuel electrode side electrode catalyst layer (1) and an oxygen electrode side electrode catalyst layer (1), and an electrode catalyst layer (2) on a gas diffusion layer It clamped using the formed 2 sheets. Thereafter, a membrane-electrode assembly was produced by hot pressing for 3 minutes under the conditions of 120 ° C. and 20 kgf / cm 2 ( 2 Nm), and this was made into a graphite separator (the groove width of the fuel gas and oxidant gas channels ( W) 1.0 mm, the groove depth (H) of the fuel gas and oxidant gas flow paths (H) 1.0 mm), and further sandwiched by a gold-plated stainless steel current collector plate, and the fastening pressure applied to the electrodes ( The cell fastening force is hereinafter referred to as “cell fastening force” as 4.5 kgf / cm 2 (0.45 Nm) per unit area of the electrode.

評価用単セルの耐久性評価は、連続運転による耐久評価と起動停止による耐久評価を分けて以下の手順に従って行った。   Durability evaluation of the single cell for evaluation was performed according to the following procedure by dividing durability evaluation by continuous operation and durability evaluation by starting and stopping.

(1)連続運転による耐久評価
大気圧、セル温度70℃、燃料ガスに水素ガス、酸化剤ガスに空気ガスを用い、いずれのガスともに60℃で加湿を行い、評価用単セルへ供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素ガスは、露点60℃、相対湿度64%および供給ガス流量0.261L/min、空気ガスは、露点60℃、相対湿度64%および供給ガス流量0.625L/minとした。この条件下で電流密度1.0A/cm時のセル電圧(初期セル電圧)を測定した。次いで、この条件で100時間連続運転を行い、連続運転前の初期セル電圧に対する連続運転後のセル電圧の保持率{(100時間の連続運転後のセル電圧/初期セル電圧)´100(%)}を耐久性評価とした。初期セル電圧は0.620Vであり、セル電圧保持率は98.1%であった。
(1) Endurance evaluation by continuous operation Atmospheric pressure, cell temperature of 70 ° C., hydrogen gas as fuel gas and air gas as oxidant gas, both gases were humidified at 60 ° C. and supplied to the single cell for evaluation. For both gases, the cell outlet pressure is atmospheric pressure, hydrogen gas has a dew point of 60 ° C. and a relative humidity of 64% and a supply gas flow rate of 0.261 L / min, and air gas has a dew point of 60 ° C. and a relative humidity of 64% and a supply gas flow rate of 0. .625 L / min. Under this condition, the cell voltage (initial cell voltage) at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured. Next, continuous operation is performed for 100 hours under these conditions, and the retention rate of the cell voltage after continuous operation with respect to the initial cell voltage before continuous operation {(cell voltage after continuous operation for 100 hours / initial cell voltage) '100 (%) } Was evaluated as durability. The initial cell voltage was 0.620 V, and the cell voltage holding ratio was 98.1%.

(2)起動停止による耐久評価
上記(1)と同じ試験条件で初期セル電圧を測定し、1時間の連続発電を行った後、発電を終了し、終了時には燃料極、酸素極ともに単セルへのガス供給を停止し、10分間単セルを放置して、再度同条件で1時間の連続運転を行った。この操作を起動停止の条件とし、3,000回実施し、起動停止試験前の初期セル電圧に対する起動停止後のセル電圧の保持率{(起動停止3,000回後のセル電圧/初期セル電圧)´100(%)}を耐久性評価とした。初期セル電圧は0.620Vであり、セル電圧保持率は96.9%であった。
(2) Endurance evaluation by starting and stopping The initial cell voltage was measured under the same test conditions as in (1) above. After 1 hour of continuous power generation, power generation was terminated, and at the end both the fuel electrode and oxygen electrode were converted to a single cell. The gas supply was stopped, the single cell was left for 10 minutes, and the continuous operation was performed again for 1 hour under the same conditions. This operation is performed as a start / stop condition, and is performed 3,000 times. The retention ratio of the cell voltage after start / stop with respect to the initial cell voltage before the start / stop test {(cell voltage after 3,000 start / stop / initial cell voltage) ) '100 (%)} was evaluated as durability. The initial cell voltage was 0.620 V, and the cell voltage holding ratio was 96.9%.

なお、構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   In addition, a structure and a result are put together in Table 1 and Table 2, and are shown.

(実施例2)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、3時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=2.5μm、平均気孔径E=0.045μm、空隙率V=45%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.10μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
(Example 2)
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 3 hours to obtain an electrode catalyst ink 1. . The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt support amount of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 2.5 μm, and an average pore diameter E 1 = 0. 0.04 μm, porosity V 1 = 45%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 = 0.10 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

2.ガス拡散電極の作製
実施例1と同様にした。
2. Production of Gas Diffusion Electrode Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、2時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=14μm、平均気孔径E=0.058μm、空隙率V=55%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.15μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Then, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 2 hours to obtain an electrode catalyst ink 2. . This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained electrode catalyst layer (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side each had an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 14 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. 0.058 μm, porosity V 2 = 55%, average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 2 = 0.15 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様にして、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.618Vであり、セル電圧保持率は99.5%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.618Vであり、セル電圧保持率は98.9%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.618V, and the cell voltage holding ratio was 99.5%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.618 V, and the cell voltage holding ratio was 98.9%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(実施例3)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、3時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=10μm、平均気孔径E=0.045μm、空隙率V=45%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.10μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
(Example 3)
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 3 hours to obtain an electrode catalyst ink 1. . This electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane by a die coater method and air-dried to obtain an electrode catalyst layer (1). The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 10 μm, and an average pore diameter E 1 = 0.045 μm. , Porosity V 1 = 45%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 of ketjen black = 0.10 μm, weight of solid polymer electrolyte and ketjen black The ratio (solid polymer electrolyte / ketchen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、2時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=4μm、平均気孔径E=0.058μm、空隙率V=55%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.15μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Then, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 2 hours to obtain an electrode catalyst ink 2. . This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained electrode catalyst layer (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading amount of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 4 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. 0.058 μm, porosity V 2 = 55%, average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 2 = 0.15 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.622Vであり、セル電圧保持率は97.1%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.622Vであり、セル電圧保持率は96.1%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.622 V, and the cell voltage holding ratio was 97.1%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.622 V, and the cell voltage holding ratio was 96.1%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(実施例4)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、2時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、塗布面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=14μm、平均気孔径E=0.058μm、空隙率V=55%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.15μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
Example 4
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC 10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and mixed and stirred for 2 hours to obtain an electrode catalyst ink 1. . The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side had a coating area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 14 μm, and an average pore diameter E 1 = 0. 058 μm, porosity V 1 = 55%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 = 0.15 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、1.5時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極と酸素極の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=6μm、平均気孔径E=0.086μm、空隙率V=63%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.25μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 1.5 hours. did. This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode and the oxygen electrode. The obtained electrode catalyst layer (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 6 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. 0.086 μm, porosity V 2 = 63%, ketjen black average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm, ketjen black average secondary particle diameter D 2 = 0.25 μm, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.605Vであり、セル電圧保持率は96.7%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.605Vであり、セル電圧保持率は95.9%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage in the continuous operation durability evaluation was 0.605 V, and the cell voltage holding ratio was 96.7%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.605 V, and the cell voltage holding ratio was 95.9%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(実施例5)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、3時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、塗布面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=10μm、平均気孔径E=0.045μm、空隙率V=45%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.10μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
(Example 5)
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 3 hours to obtain an electrode catalyst ink 1. . The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has a coating area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 10 μm, and an average pore diameter E 1 = 0. 045 μm, porosity V 1 = 45%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 = 0.10 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、1時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=8μm、平均気孔径E=0.14μm、空隙率V=70%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.40μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC 10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred and stirred for 1 hour to obtain an electrode catalyst ink 2. . This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained electrode catalyst layer (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading amount of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 8 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. .14 μm, porosity V 2 = 70%, average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 2 = 0.40 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様にして、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.615Vであり、セル電圧保持率は99.7%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.615Vであり、セル電圧保持率は98.7%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.615 V, and the cell voltage holding ratio was 99.7%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.615 V, and the cell voltage holding ratio was 98.7%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(実施例6)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、1.5時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、塗布面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=22μm、平均気孔径E=0.086μm、空隙率V=63%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.25μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
(Example 6)
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred and stirred for 1.5 hours. It was. The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has a coating area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 22 μm, and an average pore diameter E 1 = 0. 086 μm, porosity V 1 = 63%, ketjen black average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm, ketjen black average secondary particle diameter D 1 = 0.25 μm, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、1時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=8μm、平均気孔径E=0.14μm、空隙率V=70%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.40μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC 10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred and stirred for 1 hour to obtain an electrode catalyst ink 2. . This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained electrode catalyst layer (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading amount of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 8 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. .14 μm, porosity V 2 = 70%, average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 2 = 0.40 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様にして、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.592Vであり、セル電圧保持率は99.2%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.592Vであり、セル電圧保持率は98.3%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.592 V, and the cell voltage holding ratio was 99.2%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.592 V, and the cell voltage holding ratio was 98.3%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(実施例7)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、3時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、塗布面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=10μm、平均気孔径E=0.045μm、空隙率V=45%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.10μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
(Example 7)
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 3 hours to obtain an electrode catalyst ink 1. . The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has a coating area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 10 μm, and an average pore diameter E 1 = 0. 045 μm, porosity V 1 = 45%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 = 0.10 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、20分間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=9μm、平均気孔径E=0.055μm、空隙率V=52%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.75μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd .: 50% by weight of platinum and an average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and mixed and stirred for 20 minutes to obtain an electrode catalyst ink 2. This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained electrode catalyst layer (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading amount of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 9 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. 0.055 μm, porosity V 2 = 52%, ketjen black average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm, ketjen black average secondary particle diameter D 2 = 0.75 μm, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様にして、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.611Vであり、セル電圧保持率は94.1%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.611Vであり、セル電圧保持率は92.3%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.611 V, and the cell voltage holding ratio was 94.1%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.611 V, and the cell voltage holding ratio was 92.3%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(実施例8)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10EA50E:グラファイト化したケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径4.5nm)を加え、5時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=2μm、平均気孔径E=0.018μm、空隙率V=35%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.045μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
(Example 8)
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10EA50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on graphitized ketjen black, average platinum particle size 4.5 nm) is added to this solution, and the mixture is stirred for 5 hours. Catalyst ink 1 was obtained. The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading amount of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 2 μm, and an average pore diameter E 1 = 0.018 μm. , Porosity V 1 = 35%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 = 0.045 μm of ketjen black, weight of solid polymer electrolyte and ketjen black The ratio (solid polymer electrolyte / ketchen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、1時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=36μm、平均気孔径E=0.14μm、空隙率V=70%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.40μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water and a polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight) were added, and then Ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC 10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred and stirred for 1 hour to obtain an electrode catalyst ink 2. . This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained fuel electrode side and oxygen electrode side electrode catalyst layers (2) each have an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 36 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. .14 μm, porosity V 2 = 70%, average primary particle diameter D 2 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 2 = 0.40 μm of ketjen black, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様にして、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.571Vであり、セル電圧保持率は91.8%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.571Vであり、セル電圧保持率は89.7%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.571 V, and the cell voltage holding ratio was 91.8%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.571 V, and the cell voltage holding ratio was 89.7%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(実施例9)
1.電極触媒層(1)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、1時間混合・攪拌を行い、電極触媒インク1とした。この電極触媒インク1を、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(1)を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(1)は、面積50mm×50mm、Pt担持量0.40mg/cm、厚さt=36μm、平均気孔径E=0.14μm、空隙率V=70%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.40μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
Example 9
1. Preparation of electrode catalyst layer (1) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Subsequently, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred and stirred for 1 hour to obtain an electrode catalyst ink 1. The electrode catalyst ink 1 was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method, and air-dried to form an electrode catalyst layer (1). Got. The obtained electrode catalyst layer (1) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.40 mg / cm 2 , a thickness t 1 = 36 μm, and an average pore diameter E 1 = 0.14 μm. , Porosity V 1 = 70%, average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of ketjen black, average secondary particle diameter D 1 = 0.40 μm of ketjen black, weight of solid polymer electrolyte and ketjen black The ratio (solid polymer electrolyte / ketchen black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.電極触媒層(2)の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、40分間混合・攪拌を行い、電極触媒インク2とした。この電極触媒インク2を、上記で作製したガス拡散層上にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層(2)を燃料極側と酸素極側の二枚分を準備した。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層(2)は、それぞれ、面積50mm×50mm、Pt担持量0.10mg/cm、厚さt=18μm、平均気孔径E=0.25μm、空隙率V=73%、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.52μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
3. Preparation of electrode catalyst layer (2) To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water, a solid polymer electrolyte solution (DuPont Nafion solution DE520, electrolyte content 5 wt%), Next, ethylene glycol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC 10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum supported on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and mixed and stirred for 40 minutes to obtain an electrode catalyst ink 2. . This electrode catalyst ink 2 was applied onto the gas diffusion layer produced above by a die coater method and air-dried to prepare two electrode catalyst layers (2) for the fuel electrode side and the oxygen electrode side. The obtained electrode catalyst layer (2) on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading amount of 0.10 mg / cm 2 , a thickness t 2 = 18 μm, and an average pore diameter E 2 = 0. .25 μm, porosity V 2 = 73%, ketjen black average primary particle size D 2 ′ = 20 nm, ketjen black average secondary particle size D 2 = 0.52 μm, solid polymer electrolyte and ketjen black The weight ratio (solid polymer electrolyte / Ketjen black) was 0.85.

4.MEA及び単セルの組立て
実施例1と同様にして、膜−電極接合体を作製し、実施例1と同様に評価用単セルとした。
4). Assembly of MEA and Single Cell A membrane-electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell for evaluation was prepared in the same manner as in Example 1.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.536Vであり、セル電圧保持率は95.1%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.536Vであり、セル電圧保持率は93.7%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.536 V, and the cell voltage holding ratio was 95.1%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.536 V, and the cell voltage holding ratio was 93.7%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

(比較例1)
1.電極触媒層の作製
20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器に、超純水、固体高分子電解質溶液(デュポン社製ナフィオン溶液DE520、電解質含量5重量%)を加え、次いでエチレングリコール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)を徐々に滴下し、ホモジナイザーを用いて10分間混合・攪拌した。次いで、この溶液に電極触媒(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E:ケッチェンブラックに白金を50重量%担持、平均白金粒径3nm)を加え、3時間混合・攪拌を行い、電極触媒インクとした。この電極触媒インクを、固体高分子電解質膜(Nafion(登録商標)NR−111、大きさ100mm×100mm、厚さ25μm)の両面にダイコーター法により塗布、風乾し、電極触媒層を得た。得られた燃料極側、酸素極側の電極触媒層は、塗布面積50mm×50mm、Pt担持量0.50mg/cm、厚さ12μm、ケッチェンブラックの平均一次粒子径D’=20nm、平均気孔径E=0.045μm、空隙率V=45%、ケッチェンブラックの平均二次粒子径D=0.10μm、固体高分子電解質とケッチェンブラックとの重量比(固体高分子電解質/ケッチェンブラック)は0.85であった。
(Comparative Example 1)
1. Preparation of Electrocatalyst Layer To a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C., ultrapure water and a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight) are added, and then ethylene glycol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was gradually added dropwise and mixed and stirred for 10 minutes using a homogenizer. Next, an electrode catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: 50% by weight of platinum on Ketjen Black, average platinum particle size of 3 nm) was added to this solution, and the mixture was stirred for 3 hours to obtain an electrode catalyst ink. This electrode catalyst ink was applied to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR-111, size 100 mm × 100 mm, thickness 25 μm) by a die coater method and air-dried to obtain an electrode catalyst layer. The resulting electrode catalyst layer on the fuel electrode side and oxygen electrode side has an application area of 50 mm × 50 mm, a Pt loading of 0.50 mg / cm 2 , a thickness of 12 μm, and an average primary particle diameter D 1 ′ = 20 nm of Ketjen Black, Average pore diameter E 1 = 0.045 μm, porosity V 1 = 45%, average secondary particle diameter D 1 = 0.10 μm of ketjen black, weight ratio of solid polymer electrolyte to ketjen black (solid polymer Electrolyte / Ketjen Black) was 0.85.

2.ガス拡散層の作製
実施例1と同様にした。
2. Preparation of Gas Diffusion Layer Same as Example 1.

3.MEA及び単セルの組立て
燃料極側電極触媒層と酸素極側電極触媒層とが両面に形成された固体高分子電解質膜を、ガス拡散層2枚を用いて挟持した。その後、120℃、20kgf/cm(2Nm)の条件で、3分間ホットプレスすることにより膜−電極接合体を作製し、これをグラファイト製セパレータで挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。
3. Assembly of MEA and Single Cell A solid polymer electrolyte membrane having a fuel electrode side electrode catalyst layer and an oxygen electrode side electrode catalyst layer formed on both sides was sandwiched between two gas diffusion layers. Thereafter, a membrane-electrode assembly was produced by hot pressing for 3 minutes under the conditions of 120 ° C. and 20 kgf / cm 2 ( 2 Nm), and this was sandwiched between graphite separators, and further with a gold-plated stainless steel current collector plate. A single cell for evaluation was sandwiched.

評価用単セルの耐久性評価は、実施例1と同様にした。連続運転耐久評価の初期セル電圧は0.620Vであり、セル電圧保持率は91.1%であった。一方、起動停止耐久評価の初期セル電圧は0.620Vであり、セル電圧保持率は87.9%であった。構成および結果を表1および表2にまとめて示す。   The durability of the evaluation single cell was evaluated in the same manner as in Example 1. The initial cell voltage for continuous operation durability evaluation was 0.620 V, and the cell voltage holding ratio was 91.1%. On the other hand, the initial cell voltage in the start / stop durability evaluation was 0.620 V, and the cell voltage holding ratio was 87.9%. The configuration and results are summarized in Tables 1 and 2.

Figure 2006294594
Figure 2006294594

Figure 2006294594
Figure 2006294594

(実施例10)
実施例1と同様にして作製した膜−電極接合体を、二枚のグラファイト製セパレータで挟持して単セルとし、さらに集電板と絶縁板を介して2枚のステンレス鋼製のエンドプレートで挟み、エンドプレート同士を締結ロッドで、燃料極側および酸素極側の各電極の単位面積あたり4.5kgf/cm(0.45Nm)の圧力で締結することにより燃料電池を作製し、初期性能評価を行った。結果を表3に示す。
(Example 10)
The membrane-electrode assembly produced in the same manner as in Example 1 is sandwiched between two graphite separators to form a single cell, and further, two stainless steel end plates are interposed via a current collector plate and an insulating plate. A fuel cell is manufactured by sandwiching and fastening the end plates with a fastening rod at a pressure of 4.5 kgf / cm 2 (0.45 Nm) per unit area of each electrode on the fuel electrode side and oxygen electrode side. Evaluation was performed. The results are shown in Table 3.

ここで、前記グラファイト製セパレータには、溝幅(W)1.0mm、溝深さ(H)1.0mmの酸化剤ガス流路および燃料ガス流路をそれぞれ形成した。また、前記セパレータには、酸化剤ガス、燃料ガスのマニホルド穴を設けた。   Here, an oxidant gas channel and a fuel gas channel having a groove width (W) of 1.0 mm and a groove depth (H) of 1.0 mm were formed in the graphite separator. The separator was provided with manifold holes for oxidant gas and fuel gas.

さらに、表3に示すように、二枚のグラファイト製セパレータの各ガス流路の溝幅および溝深さ(=溝幅/溝深さで表示する)を、順に0.6mm/1.0mm、0.8mm/0.8mm、1.2mm/0.6mm、0.8mm/0.05mm、0.4mm/0.8mm、1.6mm/0.8mmに変更した以外は、上記と同様にして燃料電池を作製し、初期性能評価を行った。結果を表3に示す。   Furthermore, as shown in Table 3, the groove width and the groove depth (represented by the groove width / groove depth) of each gas flow path of the two graphite separators are 0.6 mm / 1.0 mm in order, Except for changing to 0.8mm / 0.8mm, 1.2mm / 0.6mm, 0.8mm / 0.05mm, 0.4mm / 0.8mm, 1.6mm / 0.8mm, the same as above A fuel cell was fabricated and evaluated for initial performance. The results are shown in Table 3.

燃料電池の初期性能評価は、実施例1と同様に、以下の手順に従って行った。   As in Example 1, the initial performance evaluation of the fuel cell was performed according to the following procedure.

大気圧、セル温度70℃、燃料ガスに水素ガス、酸化剤ガスに空気を用い、燃料電池の単セルへ供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素ガスは、露点60℃、相対湿度64%および供給ガス流量0.261L/min、空気ガスは、露点60℃、相対湿度64%および供給ガス流量0.625L/minとした。この条件下で電流密度1.0A/cm時のセル電圧(初期セル電圧)を測定した。 Atmospheric pressure, cell temperature of 70 ° C., hydrogen gas as fuel gas, and air as oxidant gas were supplied to a single cell of the fuel cell. For both gases, the cell outlet pressure is atmospheric pressure, hydrogen gas has a dew point of 60 ° C. and a relative humidity of 64% and a supply gas flow rate of 0.261 L / min, and air gas has a dew point of 60 ° C. and a relative humidity of 64% and a supply gas flow rate of 0. .625 L / min. Under this condition, the cell voltage (initial cell voltage) at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured.

Figure 2006294594
Figure 2006294594

上記表3のV@1A/cmは、電流密度1.0A/cm時のセル電圧(V)をいう(表4においても同様とする。)。 V @ 1 A / cm 2 in Table 3 refers to the cell voltage (V) at a current density of 1.0 A / cm 2 (the same applies to Table 4).

上記表3の結果から、燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、溝幅が0.4mmを超えて1.6mm未満の範囲で、溝深さが0.05mmを超えた範囲であれば、優れた初期性能を発現できることが確認できた。かかる実験結果から、以下の実施例11のいずれの評価用単セルにおいても、燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路を溝幅1.0mm、溝深さ1.0mmとして、連続運転による耐久評価および起動停止による耐久評価を行うこととした。   From the results of Table 3 above, the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path should have a groove width exceeding 0.4 mm and less than 1.6 mm and groove depth exceeding 0.05 mm. It was confirmed that excellent initial performance could be expressed. From these experimental results, in any of the evaluation single cells of Example 11 below, the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path were set to have a groove width of 1.0 mm and a groove depth of 1.0 mm. The durability was evaluated by evaluation and start / stop.

(実施例11)
実施例1と同様にして作製した膜−電極接合体を、二枚のグラファイト製セパレータで挟持して単セルとし、さらに集電板と絶縁板を介して2枚のステンレス鋼製のエンドプレートで挟み、エンドプレート同士を締結ロッドで、燃料極側および酸素極側の各電極の単位面積あたり4.5kgf/cm(0.45Nm)の圧力で締結することにより燃料電池を得た。
(Example 11)
The membrane-electrode assembly produced in the same manner as in Example 1 is sandwiched between two graphite separators to form a single cell, and further, two stainless steel end plates are interposed via a current collector plate and an insulating plate. The fuel cell was obtained by sandwiching and fastening the end plates with a fastening rod at a pressure of 4.5 kgf / cm 2 (0.45 Nm) per unit area of each electrode on the fuel electrode side and oxygen electrode side.

なお、前記グラファイト製セパレータには溝幅1.0mm、溝深さ1.0mmの酸化剤ガス流路および燃料ガス流路をそれぞれ形成した。また、前記セパレータには、酸化剤ガス、燃料ガスのマニホルド穴を設けた。   The graphite separator was formed with an oxidant gas passage and a fuel gas passage each having a groove width of 1.0 mm and a groove depth of 1.0 mm. The separator was provided with manifold holes for oxidant gas and fuel gas.

燃料電池の耐久性評価は、連続運転による耐久性評価と起動停止による耐久性評価を分けて以下の手順に従って行った。   The durability evaluation of the fuel cell was performed according to the following procedure, with the durability evaluation by continuous operation and the durability evaluation by start / stop being divided.

(1)連続運転による耐久性評価試験
大気圧、セル温度70℃、燃料ガスに水素ガス、酸化剤ガスに空気を用い、いずれのガスともに60℃で加湿を行い、燃料電池の単セルへ供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、加湿後、燃料電池の単セルに供給される水素ガスは露点60℃、相対湿度64%およびガス流量0.261L/min、空気ガスは露点60℃、相対湿度64%、ガス流量0.625L/minとした。この条件下で電流密度1.0A/cm時のセル電圧(初期セル電圧)を測定した。次いで、この条件で100時間連続運転を行い、連続運転前の初期セル電圧に対する連続運転後のセル電圧保持率{(100時間の連続運転後のセル電圧/初期セル電圧)×100(%)}を耐久性評価とした。初期セル電圧は0.620Vであり、連続運転前の初期セル電圧に対するセル電圧保持率は98.1%であった。結果を表4及び図4〜5に示す。
(1) Durability evaluation test by continuous operation Atmospheric pressure, cell temperature 70 ° C, hydrogen gas as fuel gas, air as oxidant gas, both gases are humidified at 60 ° C and supplied to single cell of fuel cell did. For both gases, the cell outlet pressure is atmospheric pressure, and after humidification, the hydrogen gas supplied to the single cell of the fuel cell has a dew point of 60 ° C., a relative humidity of 64% and a gas flow rate of 0.261 L / min, and the air gas has a dew point of 60 ° C. The relative humidity was 64% and the gas flow rate was 0.625 L / min. Under this condition, the cell voltage (initial cell voltage) at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured. Next, continuous operation is performed for 100 hours under these conditions, and the cell voltage holding ratio after continuous operation with respect to the initial cell voltage before continuous operation {(cell voltage after continuous operation for 100 hours / initial cell voltage) × 100 (%)} The durability was evaluated. The initial cell voltage was 0.620 V, and the cell voltage holding ratio with respect to the initial cell voltage before continuous operation was 98.1%. The results are shown in Table 4 and FIGS.

(2)起動停止による耐久性評価試験
上記(1)と同じ試験条件で初期セル電圧を測定し、1時間の連続発電を行った後、発電を終了し、終了時には燃料極、酸素極ともに単セルへのガス供給を停止し、10分間単セルを放置して、再度同条件で1時間の連続運転を行った。この操作を起動停止の条件とし、3,000回実施し、初期セル電圧に対する起動停止後のセル電圧の保持率{(起動停止3,000回後のセル電圧/初期セル電圧)×100(%)}を耐久性評価とした。初期セル電圧は0.620Vであり、初期セル電圧に対する起動停止後のセル電圧保持率は96.9%であった。結果を表4及び図4〜5に示す。
(2) Durability evaluation test by starting and stopping The initial cell voltage was measured under the same test conditions as in (1) above, and after one hour of continuous power generation, power generation was terminated, and at the end both the fuel electrode and oxygen electrode were single. The gas supply to the cell was stopped, the single cell was left for 10 minutes, and the continuous operation was performed again for 1 hour under the same conditions. This operation is performed as a start / stop condition, and is performed 3000 times. The cell voltage holding ratio after start / stop with respect to the initial cell voltage {(cell voltage after start / stop 3000 times / initial cell voltage) × 100 (% )} Was defined as durability evaluation. The initial cell voltage was 0.620 V, and the cell voltage holding ratio after starting and stopping with respect to the initial cell voltage was 96.9%. The results are shown in Table 4 and FIGS.

さらに、表4に示すように、エンドプレートの締結圧力、ならびに、燃料電池に供給する水素ガスおよび空気ガスの相対湿度を変更した以外は、上記と同様にして連続運転による耐久性評価、および、起動停止による耐久性評価を行った。これらの結果についても表4及び図4〜5に示す。   Furthermore, as shown in Table 4, durability evaluation by continuous operation in the same manner as above except that the fastening pressure of the end plate, and the relative humidity of the hydrogen gas and air gas supplied to the fuel cell were changed, and Durability was evaluated by starting and stopping. These results are also shown in Table 4 and FIGS.

Figure 2006294594
Figure 2006294594

表4及び図4〜5の結果から、燃料電池の締結圧力(セル締結力)によって、セル電圧の最適挙動が異なり、運転中の供給ガスの相対湿度(特に酸化剤ガス=空気)条件に応じて、燃料電池の締結圧力(セル締結力)を最適化することで、さらに所望の発電性能(セル性能)を長期にわたって維持できることが確認できた。具体的には、高いセル電圧(初期セル電圧)を発現し(表4及び図4参照)、この高い電圧をその後の連続運転や起動停止運転に対して長期間保持することができることが分かり(表4及び図5参照)、連続運転による耐久性能および起動停止による耐久性能を向上できることが確認できた。   From the results of Table 4 and FIGS. 4 to 5, the optimum behavior of the cell voltage differs depending on the fastening pressure (cell fastening force) of the fuel cell, and depends on the relative humidity (especially oxidant gas = air) of the supply gas during operation. Thus, it was confirmed that the desired power generation performance (cell performance) can be maintained over a long period of time by optimizing the fastening pressure (cell fastening force) of the fuel cell. Specifically, it shows that a high cell voltage (initial cell voltage) is expressed (see Table 4 and FIG. 4), and this high voltage can be maintained for a long period of time for subsequent continuous operation and start / stop operation ( It was confirmed that the durability performance by continuous operation and the durability performance by starting and stopping can be improved.

なお、図4中のRH(=相対湿度)25%、RH40%、RH64%、RH80%の各グラフは、それぞれ燃料電池の評価用単セルに供給される空気ガスの相対湿度(%)ごとの締結圧力とセル電圧(初期セル電圧)との関係を表すグラフである。   In addition, each graph of RH (= relative humidity) 25%, RH40%, RH64%, and RH80% in FIG. 4 is for each relative humidity (%) of the air gas supplied to the single cell for evaluation of the fuel cell. It is a graph showing the relationship between a fastening pressure and a cell voltage (initial cell voltage).

また、図5中のRH(相対湿度)25%(1)、RH40%(1)、RH64%(1)、RH80%(1)の各グラフは、それぞれ燃料電池の評価用単セルに供給される空気ガスの相対湿度(%)ごとの締結圧力と、連続運転前の初期セル電圧に対する連続運転後のセル電圧の保持率との関係を表すグラフである。   Further, the graphs of RH (relative humidity) 25% (1), RH 40% (1), RH 64% (1), and RH 80% (1) in FIG. 5 are respectively supplied to single cells for evaluation of the fuel cell. It is a graph showing the relationship between the fastening pressure for every relative humidity (%) of the air gas and the retention rate of the cell voltage after continuous operation with respect to the initial cell voltage before continuous operation.

さらに、図5中のRH(相対湿度)25%(2)、RH40%(2)、RH64%(2)、RH80%(2)の各グラフは、それぞれ燃料電池の評価用単セルに供給される空気ガスの相対湿度(%)ごとの締結圧力と、起動停止前の初期セル電圧に対する起動停止後のセル電圧の保持率との関係を表すグラフである。   Further, the graphs of RH (relative humidity) 25% (2), RH 40% (2), RH 64% (2), and RH 80% (2) in FIG. 5 are respectively supplied to the single cells for evaluation of the fuel cell. It is a graph showing the relationship between the fastening pressure for every relative humidity (%) of the air gas and the retention rate of the cell voltage after starting and stopping with respect to the initial cell voltage before starting and stopping.

本発明の燃料電池用電極触媒層によれば、耐久性に優れる燃料電池を提供することが可能となる。   According to the electrode catalyst layer for a fuel cell of the present invention, it is possible to provide a fuel cell excellent in durability.

本発明の好ましい一実施形態である電極触媒層の模式断面図を示す。The schematic cross section of the electrode catalyst layer which is preferable one Embodiment of this invention is shown. 本発明の好ましい一実施形態である燃料電池の単セルの基本的な構成を表す模式断面図を示す。The schematic cross section showing the fundamental composition of the single cell of the fuel cell which is one preferred embodiment of the present invention is shown. 図2の単セルを複数積層してなる燃料電池スタックの基本的な構成の好ましい一例を説明するための斜視図である。FIG. 3 is a perspective view for explaining a preferable example of a basic configuration of a fuel cell stack formed by stacking a plurality of single cells of FIG. 2. 実施例11で作製した燃料電池の評価用単セルの締結圧力と、初期セル電圧と、の関係を燃料電池の単セルに供給される空気の相対湿度ごとに表したグラフである。It is the graph which represented the relationship between the fastening pressure of the single cell for evaluation of the fuel cell produced in Example 11, and the initial cell voltage for every relative humidity of the air supplied to the single cell of a fuel cell. 実施例11で作製した燃料電池の評価用単セルの締結圧力と、連続運転前の初期セル電圧に対する連続運転後のセル電圧の保持率との関係を燃料電池の単セルに供給される空気の相対湿度ごとに表したグラフ、並びに 実施例11で作製した燃料電池の評価用単セルの締結圧力と、起動停止前の初期セル電圧に対する起動停止後のセル電圧の保持率との関係を燃料電池の単セルに供給される空気の相対湿度ごとに表したグラフである。The relationship between the fastening pressure of the single cell for evaluation of the fuel cell produced in Example 11 and the retention rate of the cell voltage after the continuous operation with respect to the initial cell voltage before the continuous operation of the air supplied to the single cell of the fuel cell The relationship between the graph expressed for each relative humidity and the fastening pressure of the single cell for evaluation of the fuel cell produced in Example 11 and the retention rate of the cell voltage after start-up and stop with respect to the initial cell voltage before start-stop It is the graph represented for every relative humidity of the air supplied to a single cell.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池スタック、
20 スタック部(積層スタック)、
30、40 集電板、
35、45 出力端子
50、60 絶縁板、
70 燃料極側エンドプレート、
80 酸素極側エンドプレート、
71 燃料ガス導入口、
72 燃料ガス排出口、
74 酸化剤ガス導入口、
75 酸化剤ガス排出口、
77 冷却水導入口、
78 冷却水排出口、
90 タイロッド、
101 導電性担体(二次粒子)、
102 導電性担体(二次粒子)、
120 電極触媒層、
121 電極触媒層(1)、
122 電極触媒層(2)、
200 燃料電池(スタック)、
201 燃料電池の単セル、
210 固体高分子電解質膜、
220a 燃料極側電極触媒層、
220b 酸素極側電極触媒層、
230a 燃料極側ガス拡散層、
230b 酸素極側ガス拡散層、
240 MEA、
250a 燃料極側セパレータ、
250b 酸素極側セパレータ、
251a 燃料ガス流路(供給溝)、
251b 酸化剤ガス流路(供給溝)、
W ガス流路の溝幅、
H ガス流路の溝深さ。
10 Fuel cell stack,
20 stack part (stacked stack),
30, 40 current collector plate,
35, 45 Output terminal 50, 60 Insulating plate,
70 fuel electrode side end plate,
80 oxygen electrode side end plate,
71 Fuel gas inlet,
72 Fuel gas outlet,
74 Oxidant gas inlet,
75 Oxidant gas outlet,
77 Cooling water inlet,
78 Cooling water outlet,
90 tie rods,
101 conductive carrier (secondary particles),
102 conductive carrier (secondary particles),
120 electrode catalyst layer,
121 electrode catalyst layer (1),
122 electrode catalyst layer (2),
200 Fuel cell (stack),
201 single cell of fuel cell,
210 solid polymer electrolyte membrane,
220a Fuel electrode side electrode catalyst layer,
220b oxygen electrode side electrode catalyst layer,
230a Fuel electrode side gas diffusion layer,
230b oxygen electrode side gas diffusion layer,
240 MEA,
250a Fuel electrode side separator,
250b oxygen electrode side separator,
251a Fuel gas flow path (supply groove),
251b Oxidant gas flow path (supply groove),
W Gas channel groove width,
H Gas channel groove depth.

Claims (18)

導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と固体高分子電解質とを少なくとも含む燃料電池用電極触媒層であって、
前記燃料電池用電極触媒層は、厚さ方向に向かって前記導電性担体の平均二次粒子径が大きくなる燃料電池用電極触媒層。
An electrode catalyst layer for a fuel cell comprising at least an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive support and a solid polymer electrolyte,
The electrode catalyst layer for a fuel cell is an electrode catalyst layer for a fuel cell in which the average secondary particle diameter of the conductive support increases in the thickness direction.
前記燃料電池用電極触媒層は、電極触媒層(1)と電極触媒層(2)との少なくとも二層が積層されてなり、かつ、前記電極触媒層(1)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)が、前記電極触媒層(2)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)よりも小さい請求項1記載の燃料電池用電極触媒層。 The electrode catalyst layer for a fuel cell is formed by laminating at least two layers of an electrode catalyst layer (1) and an electrode catalyst layer (2), and the conductive carrier contained in the electrode catalyst layer (1). 2. The fuel cell electrode catalyst layer according to claim 1, wherein an average secondary particle diameter (D 1 ) is smaller than an average secondary particle diameter (D 2 ) of the conductive support contained in the electrode catalyst layer (2). 前記導電性担体の平均二次粒子径が、1μm未満である請求項1または2記載の燃料電池用電極触媒層。   The electrode catalyst layer for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein an average secondary particle diameter of the conductive support is less than 1 µm. 前記電極触媒層(1)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)と、前記電極触媒層(2)に含まれる前記導電性担体の平均二次粒子径(D)とが、0.05<D/D<1である請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。 The average secondary particle diameter (D 1 ) of the conductive carrier contained in the electrode catalyst layer (1) and the average secondary particle diameter (D 2) of the conductive carrier contained in the electrode catalyst layer ( 2 ). DOO is, 0.05 <D 1 / D 2 <1 a fuel cell electrode catalyst layer according to any of claims 1 to 3. 前記電極触媒層(1)の平均気孔径(E)が、前記電極触媒層(2)の平均気孔径(E)より小さい請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。 The electrode catalyst for fuel cells according to any one of claims 1 to 4, wherein an average pore diameter (E 1 ) of the electrode catalyst layer ( 1 ) is smaller than an average pore diameter (E 2 ) of the electrode catalyst layer (2). layer. 前記電極触媒層(1)の平均気孔径(E)と、前記電極触媒層(2)の平均気孔径(E)とが、0.1<E/E<1である請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。 Wherein the average pore diameter of the electrode catalyst layer (1) (E 1), the electrode catalyst layer (2) Average pore diameter (E 2), but claims a 0.1 <E 1 / E 2 < 1 The electrode catalyst layer for fuel cells in any one of 1-5. 前記電極触媒層(1)の空隙率(V)と、前記電極触媒層(2)の空隙率(V)とが、0.15<V/V<1である請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。 The porosity of the electrode catalyst layer (1) and (V 1), the porosity of the electrode catalyst layer (2) and (V 2) but, according to claim 1 which is 0.15 <V 1 / V 2 < 1 The electrode catalyst layer for fuel cells according to any one of 6. 前記燃料電池用電極触媒層の空隙率が、10〜90体積%である請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。   The electrode catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the porosity of the electrode catalyst layer for a fuel cell is 10 to 90% by volume. 前記電極触媒層(1)の厚さ(t)と、電極触媒層(2)の厚さ(t)とが、0.1<t/t<5である請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。 The thickness (t 1 ) of the electrode catalyst layer ( 1 ) and the thickness (t 2 ) of the electrode catalyst layer (2) satisfy 0.1 <t 1 / t 2 <5. The electrode catalyst layer for fuel cells according to any one of the above. 前記燃料電池用電極触媒層の厚さが、1〜50μmである請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層。   The electrode catalyst layer for fuel cells according to any one of claims 1 to 9, wherein the electrode catalyst layer for fuel cells has a thickness of 1 to 50 µm. 酸素極側電極触媒層および燃料極側電極触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、さらにこれをガス拡散層が挟持してなる燃料電池用膜−電極接合体において、
前記酸素極側電極触媒層および前記燃料極側電極触媒層のうち少なくとも一方が、請求項1〜10のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒層であり、かつ、前記固体高分子電解質膜と前記電極触媒層(1)とが接触して配置されてなる燃料電池用膜−電極接合体。
In the fuel cell membrane-electrode assembly in which the oxygen electrode side electrode catalyst layer and the fuel electrode side electrode catalyst layer are arranged to face both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion layer is sandwiched between them.
At least one of the oxygen electrode side electrode catalyst layer and the fuel electrode side electrode catalyst layer is the electrode catalyst layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 10, and the solid polymer electrolyte membrane A membrane-electrode assembly for a fuel cell, which is disposed in contact with the electrode catalyst layer (1).
請求項11に記載の燃料電池用膜−電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the fuel cell membrane-electrode assembly according to claim 11. 燃料電池用膜−電極接合体を、前記燃料電池用膜−電極接合体の厚さ方向の両側から、燃料ガスを供給排出するための燃料ガス流路を有する燃料極側セパレータと、酸化剤ガスを供給排出するための酸化剤ガス流路を有する酸素極側セパレータと、により挟持してなる少なくとも一つの単セルを、さらに前記単セルの厚さ方向の両側から一対のエンドプレートで締結されてなる燃料電池であって、
前記締結により前記燃料電池用膜−電極接合体における電極に印加される締結圧力が、前記電極の単位面積あたり3〜9kgf/cmであることを特徴とする燃料電池。
A fuel electrode side separator having a fuel gas passage for supplying and discharging fuel gas from both sides of the fuel cell membrane-electrode assembly in the thickness direction; and an oxidant gas. And at least one single cell sandwiched by an oxygen electrode side separator having an oxidant gas flow path for supplying and discharging gas, and further fastened by a pair of end plates from both sides in the thickness direction of the single cell. A fuel cell comprising
The fuel cell, wherein a fastening pressure applied to the electrode in the fuel cell membrane-electrode assembly by the fastening is 3 to 9 kgf / cm 2 per unit area of the electrode.
前記燃料電池用膜−電極接合体が、請求項11に記載の燃料電池用膜−電極接合体であることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 13, wherein the fuel cell membrane-electrode assembly is the fuel cell membrane-electrode assembly according to claim 11. 前記燃料ガスおよび/または前記酸化剤ガスの相対湿度が30%未満であるとき、前記締結圧力が、前記電極の単位面積あたり7kgf/cm以上9kgf/cm以下である請求項13または14に記載の燃料電池。 The said fastening pressure is 7 kgf / cm 2 or more and 9 kgf / cm 2 or less per unit area of the electrode when the relative humidity of the fuel gas and / or the oxidant gas is less than 30%. The fuel cell as described. 前記燃料ガスおよび/または前記酸化剤ガスの相対湿度が30%以上50%未満であるとき、前記締結圧力が、前記電極の単位面積あたり5kgf/cm以上7kgf/cm未満である請求項13〜15のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel gas and / or the time the relative humidity of the oxidant gas is less than 30% to 50% the fastening pressure, claim 13 wherein a unit 5 kgf / cm 2 or more 7 kgf / cm less than 2 per area of electrode The fuel cell according to any one of -15. 前記燃料ガスおよび/または前記酸化剤ガスの相対湿度が50%以上であるとき、前記締結圧力が、前記電極の単位面積あたり3kgf/cm以上5kgf/cm未満である請求項13〜16のいずれか1項に記載の燃料電池。 Wherein when the relative humidity of the fuel gas and / or the oxidant gas is 50% or more, the fastening pressure, according to claim 13 to 16 wherein the electrode is less than 3 kgf / cm 2 or more 5 kgf / cm 2 per unit area of the The fuel cell according to any one of the above. 前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、溝幅が0.5〜1.5mmであり、溝深さが0.1〜1.2mmである請求項13〜17のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel gas channel and the oxidant gas channel have a groove width of 0.5 to 1.5 mm and a groove depth of 0.1 to 1.2 mm, respectively. A fuel cell according to claim 1.
JP2006045580A 2005-03-18 2006-02-22 ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME Pending JP2006294594A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006045580A JP2006294594A (en) 2005-03-18 2006-02-22 ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005079786 2005-03-18
JP2006045580A JP2006294594A (en) 2005-03-18 2006-02-22 ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006294594A true JP2006294594A (en) 2006-10-26

Family

ID=37414902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006045580A Pending JP2006294594A (en) 2005-03-18 2006-02-22 ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006294594A (en)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009004959A1 (en) * 2007-06-29 2009-01-08 Toppan Printing Co., Ltd. Membrane electrode assembly, process for producing membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell
JP2011159586A (en) * 2010-02-03 2011-08-18 Toyota Motor Corp Catalyst layer structure for fuel cell
US8309269B2 (en) 2007-06-25 2012-11-13 Panasonic Corporation Fuel cell, membrane-electrode assembly, and membrane-catalyst layer assembly
JP2012243656A (en) * 2011-05-23 2012-12-10 Toyota Motor Corp Method for producing membrane electrode assembly, and membrane electrode assembly
JP2012243431A (en) * 2011-05-17 2012-12-10 Toyota Motor Corp Fuel cell
WO2013027627A1 (en) * 2011-08-25 2013-02-28 日産自動車株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cells, electrode for fuel cells, membrane electrode assembly for fuel cells, and fuel cell
JP2015233012A (en) * 2010-04-13 2015-12-24 コミサリア ア レネルジ アトミクエ オ ゼネルジ アルテルナティヴ Fuel cell electrode structure using proton exchange membrane
JP2016207419A (en) * 2015-04-21 2016-12-08 凸版印刷株式会社 Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2020509552A (en) * 2018-01-17 2020-03-26 アウディ アクチェンゲゼルシャフトAudi Ag Cascaded fuel cell stack and fuel cell system with optimized water management
KR20220024743A (en) * 2019-08-22 2022-03-03 존슨 맛쎄이 푸엘 셀스 리미티드 Catalyzed Membrane
WO2024101085A1 (en) * 2022-11-11 2024-05-16 マクセル株式会社 Composition for forming catalyst layer, method for producing catalyst layer using same, gas diffusion electrode and electrolysis cell using same
US12095099B2 (en) 2021-03-25 2024-09-17 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Catalyst layer and method for producing the same

Cited By (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8309269B2 (en) 2007-06-25 2012-11-13 Panasonic Corporation Fuel cell, membrane-electrode assembly, and membrane-catalyst layer assembly
US7947411B1 (en) 2007-06-29 2011-05-24 Toppan Printing Co., Ltd. Membrane and electrode assembly and method of producing the same, and polymer electrolyte membrane fuel cell
WO2009004959A1 (en) * 2007-06-29 2009-01-08 Toppan Printing Co., Ltd. Membrane electrode assembly, process for producing membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell
CN101816088B (en) * 2007-06-29 2013-08-28 凸版印刷株式会社 Membrane electrode assembly, method of manufacturing membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell
JP2011159586A (en) * 2010-02-03 2011-08-18 Toyota Motor Corp Catalyst layer structure for fuel cell
JP2015233012A (en) * 2010-04-13 2015-12-24 コミサリア ア レネルジ アトミクエ オ ゼネルジ アルテルナティヴ Fuel cell electrode structure using proton exchange membrane
JP2012243431A (en) * 2011-05-17 2012-12-10 Toyota Motor Corp Fuel cell
JP2012243656A (en) * 2011-05-23 2012-12-10 Toyota Motor Corp Method for producing membrane electrode assembly, and membrane electrode assembly
CN103765643B (en) * 2011-08-25 2016-08-17 日产自动车株式会社 Electrode catalyst for fuel cell layer, electrode for fuel cell, membrane-membrane electrode for fuel cell assembly and fuel cell
CN103765643A (en) * 2011-08-25 2014-04-30 日产自动车株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cells, electrode for fuel cells, membrane electrode assembly for fuel cells, and fuel cell
WO2013027627A1 (en) * 2011-08-25 2013-02-28 日産自動車株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cells, electrode for fuel cells, membrane electrode assembly for fuel cells, and fuel cell
US9755243B2 (en) 2011-08-25 2017-09-05 Nissan Motor Co., Ltd. Electrode catalyst layer for fuel cells, electrode for fuel cells, membrane electrode assembly for fuel cells, and fuel cell
JP2016207419A (en) * 2015-04-21 2016-12-08 凸版印刷株式会社 Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2020509552A (en) * 2018-01-17 2020-03-26 アウディ アクチェンゲゼルシャフトAudi Ag Cascaded fuel cell stack and fuel cell system with optimized water management
US11201346B2 (en) 2018-01-17 2021-12-14 Audi Ag Cascaded fuel cell stack and fuel cell system
KR20220024743A (en) * 2019-08-22 2022-03-03 존슨 맛쎄이 푸엘 셀스 리미티드 Catalyzed Membrane
JP2022543189A (en) * 2019-08-22 2022-10-11 ジョンソン マッセイ ハイドロジェン テクノロジーズ リミテッド catalyst membrane
JP7350971B2 (en) 2019-08-22 2023-09-26 ジョンソン マッセイ ハイドロジェン テクノロジーズ リミテッド catalyst membrane
KR102765489B1 (en) * 2019-08-22 2025-02-12 존슨 맛쎄이 하이드로젠 테크놀로지스 리미티드 Catalyzed membrane
US12249744B2 (en) 2019-08-22 2025-03-11 Johnson Matthey Hydrogen Technologies Limted Catalysed, ion-conducting membrane
US12095099B2 (en) 2021-03-25 2024-09-17 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Catalyst layer and method for producing the same
WO2024101085A1 (en) * 2022-11-11 2024-05-16 マクセル株式会社 Composition for forming catalyst layer, method for producing catalyst layer using same, gas diffusion electrode and electrolysis cell using same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2766022C (en) Gas diffusion electrode and production method for same; membrane electrode assembly and production method for same
JP5182338B2 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using the same
EP2824741A1 (en) Electrolyte film - electrode assembly
JP2007141588A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell using the same
JP2006120506A (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2006294594A (en) ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME
JP2010073586A (en) Electrolyte membrane-electrode assembly
JP5034172B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cell and fuel cell using the same
JP2006324104A (en) Gas diffusion layer for fuel cell and fuel cell using the same
JP2008243378A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell using the same
JP2006085984A (en) MEA for fuel cell and fuel cell using the same
JP2007026783A (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2005243295A (en) Gas diffusion layer and fuel cell MEA using the same
JP2007080694A (en) ELECTRODE CATALYST LAYER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING THE SAME
JP2007188768A (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2006079917A (en) MEA for fuel cell and fuel cell using the same
JP2020077474A (en) Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell
JP5458774B2 (en) Electrolyte membrane-electrode assembly
JP2006344428A (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2006079840A (en) Fuel cell electrode catalyst and fuel cell MEA using the same
CN100454623C (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using same
JP2007005126A (en) Polymer electrolyte fuel cell stack and polymer electrolyte fuel cell using the same
JP2005209615A (en) Gas diffusion layer and solid polymer electrolyte fuel cell
JP6661954B2 (en) Method for evaluating structure including catalyst and electrolyte, and method for manufacturing fuel cell using the evaluation method
JP2007128665A (en) Electrode catalyst layer for fuel cell and method for producing membrane electrode assembly using the same