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JP2009152128A - Membrane / electrode assembly - Google Patents

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JP2009152128A
JP2009152128A JP2007330551A JP2007330551A JP2009152128A JP 2009152128 A JP2009152128 A JP 2009152128A JP 2007330551 A JP2007330551 A JP 2007330551A JP 2007330551 A JP2007330551 A JP 2007330551A JP 2009152128 A JP2009152128 A JP 2009152128A
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Japan
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diffusion layer
conductive carbonaceous
fiber
electrolyte membrane
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Application number
JP2007330551A
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Inventor
Hiroshi Nishiyama
博史 西山
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】単セルの積層方向における荷重変化や寸法変化を吸収可能な弾性を有すると共に、構成材料である導電性炭素質繊維による電解質膜の損傷を軽減可能なガス拡散層を備え、発電性能及び耐久性に優れた膜・電極接合体を提供する。
【解決手段】電極のうち少なくとも一方は、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とが積層した積層構造を有しており、該ガス拡散層は、繊維長方向を該ガス拡散層の面方向に配向した複数の導電性炭素質繊維がバインダー樹脂で結着された構造を有すると共に、前記積層構造の積層方向において、(A)前記導電性炭素質繊維の繊維径が前記電解質膜側に向かって大きくなる分布と、(B)前記導電性炭素質繊維の繊維長方向において、該導電性炭素質繊維と他の導電性炭素質繊維が結着する結着点のうち、該繊維長方向において隣り合う結着点間隔が、前記電解質膜側に向かって小さくなる分布と、を有することを特徴とする、膜・電極接合体。
【選択図】なし
A gas diffusion layer that has elasticity capable of absorbing load changes and dimensional changes in the stacking direction of a single cell and that can reduce damage to an electrolyte membrane due to conductive carbonaceous fibers that are constituent materials, A membrane / electrode assembly having excellent durability is provided.
At least one of the electrodes has a laminated structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in order from the electrolyte membrane side, and the gas diffusion layer has a fiber length direction on the surface of the gas diffusion layer. And having a structure in which a plurality of conductive carbonaceous fibers oriented in the direction are bound with a binder resin, and in the stacking direction of the stacked structure, (A) the fiber diameter of the conductive carbonaceous fibers is on the electrolyte membrane side And (B) in the fiber length direction of the conductive carbonaceous fiber, among the binding points at which the conductive carbonaceous fiber and other conductive carbonaceous fibers bind, the fiber length direction The membrane-electrode assembly has a distribution in which the interval between adjacent binding points decreases toward the electrolyte membrane side.
[Selection figure] None

Description

本発明は、燃料電池に好適に使用できる膜・電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane / electrode assembly that can be suitably used in a fuel cell.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

図7は、従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池における単セルの一形態例を示す断面図である。単セル200は、燃料電池用固体高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)10の一面側に燃料極(アノード)11、及び他面側に酸化剤極(カソード)12が設けられた膜・電極接合体15を有している。燃料極11は電解質膜10側から順に燃料極側触媒層13a、燃料極側ガス拡散層14aが積層した構成となっている。同様に、酸化剤極12も電解質膜10側から順に酸化剤極側触媒層13b、酸化剤極側ガス拡散層14bが積層した構成となっている。
膜・電極接合体15は、二つのセパレータ16a、16bで狭持され、単セル200が構成される。各セパレータ16a、16bの片面には、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極11、酸化剤極12の外面とで燃料ガス流路17a、酸化剤ガス流路17bが画成されている。所望の出力を得るため、通常、燃料電池には、単セルを複数積層したセルスタックが搭載される。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a single cell in a conventional general solid polymer electrolyte fuel cell. The unit cell 200 is provided with a fuel electrode (anode) 11 on one side of a solid polymer electrolyte membrane for fuel cell (hereinafter, simply referred to as an electrolyte membrane) 10 and an oxidant electrode (cathode) 12 on the other side. The membrane / electrode assembly 15 is provided. The fuel electrode 11 has a structure in which a fuel electrode side catalyst layer 13a and a fuel electrode side gas diffusion layer 14a are laminated in order from the electrolyte membrane 10 side. Similarly, the oxidant electrode 12 has a structure in which an oxidant electrode side catalyst layer 13b and an oxidant electrode side gas diffusion layer 14b are laminated in order from the electrolyte membrane 10 side.
The membrane / electrode assembly 15 is sandwiched between two separators 16 a and 16 b, thereby forming a single cell 200. On one side of each of the separators 16a and 16b, grooves for forming a flow path for the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) are provided. The fuel is formed by these grooves and the outer surfaces of the fuel electrode 11 and the oxidant electrode 12. A gas flow path 17a and an oxidant gas flow path 17b are defined. In order to obtain a desired output, a fuel cell is usually equipped with a cell stack in which a plurality of single cells are stacked.

上記のような単セルを備える燃料電池では、単セル内の各層間及び単セル間の接触抵抗が増大すると、燃料電池の発電効率が低下するため、単セルの積層方向に所定の荷重をかけた状態で単セルやセルスタックが締結される。この荷重は、接触抵抗の低減、単セルの構成部材の損傷防止等の観点から、単セルの面方向において均一且つ一定に保持されることが望ましい。   In a fuel cell having a single cell as described above, since the power generation efficiency of the fuel cell decreases as the contact resistance between each layer in the single cell and between the single cells increases, a predetermined load is applied in the stacking direction of the single cells. Single cells and cell stacks are fastened in this state. This load is desirably kept uniform and constant in the surface direction of the single cell from the viewpoint of reducing contact resistance and preventing damage to the constituent members of the single cell.

しかしながら、燃料電池の作動環境の変化に伴い、単セルの各構成部材は、熱膨張、吸水による膨潤、乾燥による収縮等の寸法変化を起こす。ゆえに、単セルの締結形態が、単セルの積層方向における寸法変化を吸収できないものの場合、単セルの構成部材が積層方向に収縮すると、単セルに付与される荷重が小さくなるため接触抵抗が増大し、単セルの構成部材が積層方向に膨張すると、単セルに付与される荷重が大きくなるため単セルの構成部材が損傷するおそれがある。また、構成部材の積層方向における寸法変化により、単セルの面方向における荷重が不均一になるおそれもある。
そこで、単セルの積層方向における寸法変化を吸収可能とした締結方法も提案されている。具体的には、単セルの締結部材として、弾性材料を用いることにより、単セルの膨張や収縮等の寸法変化を吸収可能とした方法が挙げられる。
However, with changes in the operating environment of the fuel cell, each component of the single cell undergoes dimensional changes such as thermal expansion, swelling due to water absorption, and shrinkage due to drying. Therefore, when the fastening mode of the single cell cannot absorb the dimensional change in the stacking direction of the single cell, the contact resistance increases because the load applied to the single cell is reduced when the constituent members of the single cell contract in the stacking direction. However, when the constituent members of the single cells expand in the stacking direction, the load applied to the single cells increases, and the constituent members of the single cells may be damaged. Moreover, the load in the surface direction of a single cell may become non-uniform | heterogenous by the dimensional change in the lamination direction of a structural member.
Therefore, a fastening method that can absorb the dimensional change in the stacking direction of the single cells has also been proposed. Specifically, there is a method in which a dimensional change such as expansion or contraction of the single cell can be absorbed by using an elastic material as the fastening member of the single cell.

一方、単セルの構成部材として、その他の構成部材の寸法変化を吸収可能な部材を用いることで、上記荷重を一定に保持することも提案されている。具体的には、繊維状の炭素質材料(炭素質繊維)により形成された弾性変形可能なガス拡散層を用いて構成された膜・電極接合体が挙げられる(例えば、特許文献1等)。しかしながら、ガス拡散層を構成する炭素質繊維が、ガス拡散層表面から突出し、触媒層、さらに電解質膜を突き抜けてしまうことがある。その結果、短絡が生じ、燃料電池の出力が低下してしまう他、燃料極と酸化剤極とをつなぐ貫通孔が形成されることにより、反応ガスが対極側へ漏れる、いわゆるクロスリークが発生し、燃料電池の発電効率や耐久性が低下するといった問題が生じる。   On the other hand, it has also been proposed to keep the load constant by using a member that can absorb dimensional changes of other constituent members as a constituent member of a single cell. Specifically, a membrane / electrode assembly configured using an elastically deformable gas diffusion layer formed of a fibrous carbonaceous material (carbonaceous fiber) is exemplified (for example, Patent Document 1). However, the carbonaceous fibers constituting the gas diffusion layer may protrude from the surface of the gas diffusion layer and penetrate through the catalyst layer and the electrolyte membrane. As a result, a short circuit occurs, the output of the fuel cell decreases, and a through hole that connects the fuel electrode and the oxidant electrode is formed, so that a so-called cross leak occurs in which the reaction gas leaks to the counter electrode side. As a result, there arises a problem that the power generation efficiency and durability of the fuel cell are lowered.

このような炭素質繊維の突き抜けによる問題を解決すべく、様々な技術が提案されている(特許文献1〜2など)。例えば、特許文献1には、触媒層に接合されるための第1の接合面を有するガス拡散層であって、内部に第1の繊維を含む第1のガス拡散層と、前記第1のガス拡散層に接合された第2の接合面を有するガス拡散層であって、内部に第2の繊維を含む第2のガス拡散層とを備え、前記第1のガス拡散層は、前記第1の接合面において前記第1の接合面に対する角度が所定の値より大きい前記第1の繊維の単位面積あたりの数が、前記第2の接合面において前記第2の接合面に対する角度が前記所定の値より大きい前記第2の繊維の単位面積当りの数よりも少なくなるように構成されている燃料電池用電極が記載されている。
また、特許文献2には、ガス拡散層が膜・電極接合体と接する側にコイル形状をしたカーボン繊維を含む繊維層を有し、前記コイル形状をしたカーボン繊維は、繊維平均径が1nm〜1μm、コイル平均長又はツイスト平均長が5nm〜10μm、コイル平均ピッチ又はツイスト平均ピッチが1nm〜1μmであることを特徴とする燃料電池が記載されている。
Various techniques have been proposed in order to solve the problem caused by such penetration of carbonaceous fibers (Patent Documents 1 and 2, etc.). For example, Patent Document 1 discloses a gas diffusion layer having a first bonding surface to be bonded to a catalyst layer, the first gas diffusion layer including first fibers therein, and the first A gas diffusion layer having a second bonding surface bonded to the gas diffusion layer, the gas diffusion layer including a second gas diffusion layer including a second fiber therein, wherein the first gas diffusion layer includes the second gas diffusion layer. The number of the first fibers per unit area that is larger than a predetermined value at an angle with respect to the first bonding surface at one bonding surface is equal to the angle with respect to the second bonding surface at the second bonding surface. A fuel cell electrode is described that is configured to be less than the number of second fibers per unit area that is greater than the value of.
Further, Patent Document 2 has a fiber layer containing a carbon fiber having a coil shape on the side where the gas diffusion layer is in contact with the membrane / electrode assembly, and the carbon fiber having the coil shape has a fiber average diameter of 1 nm to A fuel cell is described in which 1 μm, average coil length or twist average length is 5 nm to 10 μm, and average coil pitch or twist average pitch is 1 nm to 1 μm.

特開2005−100665号公報JP 2005-1000066 A 特開2006−85930号公報JP 2006-85930 A 特開2005−100748号公報JP 2005-1000074 A

一方で、特許文献3には、ガス拡散層の機械的強度、並びに、反応物及び生成物の拡散性の向上を目的として、導電性カーボンと疎水性高分子を含み、可撓性を具備したシートからなる単位層を少なくとも1枚積層した構造の拡散層及び該拡散層に接する触媒層を含む燃料極及び酸素極の電極と、固体電解質膜とを有する、固体高分子型燃料電池の電解質膜電極接合体であって、触媒層に近い側の前記単位層に含まれる前記導電性カーボンは、粒状導電性カーボンであり、触媒層から離れた側の前記単位層に含まれる導電性カーボンは、繊維状導電性カーボンで、かつ、触媒層から、より離れた位置に配置される単位層の方が、含まれる前記繊維状導電性カーボンの平均繊維長さ及び平均繊維径が大きいことを特徴とする電解質膜電極接合体が記載されている。
特許文献3に記載の膜・電極接合体に備えられるガス拡散層は、電解質膜側において繊維径及び繊維長さが共に小さくなっていることから、厚さ方向において十分な弾性が得られないおそれがある。
On the other hand, Patent Document 3 includes conductive carbon and a hydrophobic polymer for the purpose of improving the mechanical strength of the gas diffusion layer and the diffusibility of the reactants and products, and has flexibility. An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: a diffusion layer having a structure in which at least one unit layer comprising sheets is laminated; a fuel electrode and an oxygen electrode including a catalyst layer in contact with the diffusion layer; and a solid electrolyte membrane In the electrode assembly, the conductive carbon contained in the unit layer on the side close to the catalyst layer is granular conductive carbon, and the conductive carbon contained in the unit layer on the side away from the catalyst layer is The fibrous conductive carbon and the unit layer disposed at a position farther from the catalyst layer has a larger average fiber length and average fiber diameter of the fibrous conductive carbon contained therein. Electrolyte membrane electrode assembly It has been described.
Since the gas diffusion layer provided in the membrane / electrode assembly described in Patent Document 3 has a small fiber diameter and fiber length on the electrolyte membrane side, sufficient elasticity may not be obtained in the thickness direction. There is.

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、単セルの積層方向における荷重変化や寸法変化を吸収可能な弾性を有すると共に、構成材料である導電性炭素質繊維による電解質膜の損傷を軽減可能なガス拡散層を備え、発電性能及び耐久性に優れた膜・電極接合体を提供することを目的とする。   The present invention has been achieved in view of the above circumstances, and has elasticity capable of absorbing load changes and dimensional changes in the stacking direction of the single cells, and damage to the electrolyte membrane due to the conductive carbonaceous fibers that are constituent materials. An object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly including a gas diffusion layer that can be reduced and having excellent power generation performance and durability.

本発明の膜・電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜を狭持する一対の電極とを備える膜・電極接合体であって、前記電極のうち少なくとも一方は、前記電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とが積層した積層構造を有しており、
該ガス拡散層は、繊維長方向を該ガス拡散層の面方向に配向した複数の導電性炭素質繊維がバインダー樹脂で結着された構造を有すると共に、
前記積層構造の積層方向において、
(A)前記導電性炭素質繊維の繊維径が前記電解質膜側に向かって大きくなる分布と、
(B)前記導電性炭素質繊維の繊維長方向において、該導電性炭素質繊維と他の導電性炭素質繊維が結着する結着点のうち、該繊維長方向において隣り合う結着点間隔が、前記電解質膜側に向かって小さくなる分布と、
を有することを特徴とするものである。
The membrane / electrode assembly of the present invention is a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane, wherein at least one of the electrodes is in order from the electrolyte membrane side. It has a laminated structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated,
The gas diffusion layer has a structure in which a plurality of conductive carbonaceous fibers having a fiber length direction oriented in a plane direction of the gas diffusion layer are bound with a binder resin,
In the stacking direction of the stacked structure,
(A) a distribution in which the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber increases toward the electrolyte membrane;
(B) Among the binding points at which the conductive carbonaceous fiber and other conductive carbonaceous fibers bind in the fiber length direction of the conductive carbonaceous fiber, the adjacent binding point intervals in the fiber length direction. Is a distribution that decreases toward the electrolyte membrane side,
It is characterized by having.

本発明の膜・電極接合体は、ガス拡散層が、前記(A)に示す繊維径分布及び前記(B)に示す結着点間隔分布を有することによって、膜・電極接合体の積層方向における荷重変化や寸法変化を吸収可能な弾性を有し、且つ、該ガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維の前記電解質膜への突き刺さりを抑制することが可能である。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, the gas diffusion layer has the fiber diameter distribution shown in (A) and the binding point interval distribution shown in (B), so that It has elasticity that can absorb load changes and dimensional changes, and can suppress the sticking of the conductive carbonaceous fibers constituting the gas diffusion layer into the electrolyte membrane.

前記(A)及び(B)の分布を有する具体的なガス拡散層の形態としては、特に限定されないが、例えば、前記(A)の分布を有するガス拡散層の形態としては、前記電解質膜側から順に、前記導電性炭素質繊維の平均繊維径が7μm以上である第1のガス拡散層と、前記導電性炭素質繊維の平均繊維径が5μm以下である第2のガス拡散層と、が積層した2層構造を有している形態が挙げられる。また、前記(B)の分布を有するガス拡散層の形態としては、例えば、前記電解質膜側から順に、前記結着点間隔の平均が60μm未満である第1のガス拡散層と、前記結着点間隔の平均が100μm以上である第2のガス拡散層と、が積層した2層構造を有している形態が挙げられる。
ガス拡散層の弾性の確保の観点から、前記第2のガス拡散層の膜厚は、前記第1のガス拡散層の膜厚よりも厚いことが好ましい。
The form of the specific gas diffusion layer having the distributions (A) and (B) is not particularly limited. For example, the form of the gas diffusion layer having the distribution (A) may be the electrolyte membrane side. In order, the first gas diffusion layer having an average fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber of 7 μm or more and the second gas diffusion layer having an average fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber of 5 μm or less The form which has the laminated | stacked two-layer structure is mentioned. In addition, as a form of the gas diffusion layer having the distribution of (B), for example, in order from the electrolyte membrane side, the first gas diffusion layer having an average binding point interval of less than 60 μm, and the binding Examples include a two-layer structure in which a second gas diffusion layer having an average point interval of 100 μm or more is laminated.
From the viewpoint of ensuring the elasticity of the gas diffusion layer, the thickness of the second gas diffusion layer is preferably thicker than the thickness of the first gas diffusion layer.

本発明の膜・電極接合体は、単セルの積層方向における荷重変化や寸法変化が生じても、単セルの荷重を一定に保持することが可能であると共に、構成材料である導電性炭素質繊維による電解質膜の損傷を軽減可能なガス拡散層を備えている。従って、本発明によれば、発電性能及び耐久性に優れた膜・電極接合体を提供することが可能である。   The membrane / electrode assembly of the present invention is capable of maintaining a constant load of a single cell even when a load change or dimensional change in the stacking direction of the single cell occurs, and is a conductive carbonaceous material that is a constituent material. It has a gas diffusion layer that can reduce damage to the electrolyte membrane caused by the fibers. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a membrane / electrode assembly excellent in power generation performance and durability.

本発明の膜・電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜を狭持する一対の電極とを備える膜・電極接合体であって、
前記電極のうち少なくとも一方は、前記電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とが積層した積層構造を有しており、
該ガス拡散層は、
繊維長方向を該ガス拡散層の面方向に配向した複数の導電性炭素質繊維がバインダー樹脂で結着された構造を有すると共に、
前記積層構造の積層方向において、
(A)前記導電性炭素質繊維の繊維径が前記電解質膜側に向かって大きくなる分布と、
(B)前記導電性炭素質繊維の繊維長方向において、該導電性炭素質繊維と他の導電性炭素質繊維が結着する結着点のうち、該繊維長方向において隣り合う結着点間隔が、前記電解質膜側に向かって小さくなる分布と、
を有することを特徴とする。
The membrane / electrode assembly of the present invention is a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane,
At least one of the electrodes has a laminated structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in order from the electrolyte membrane side,
The gas diffusion layer is
While having a structure in which a plurality of conductive carbonaceous fibers oriented in the fiber length direction in the plane direction of the gas diffusion layer are bound with a binder resin,
In the stacking direction of the stacked structure,
(A) a distribution in which the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber increases toward the electrolyte membrane;
(B) Among the binding points at which the conductive carbonaceous fiber and other conductive carbonaceous fibers bind in the fiber length direction of the conductive carbonaceous fiber, the adjacent binding point intervals in the fiber length direction. Is a distribution that decreases toward the electrolyte membrane side,
It is characterized by having.

以下、図1〜図3を参照しながら本発明により提供される膜・電極接合体について説明する。図1は、本発明の膜・電極接合体を備える単セルの一形態例を示す断面図、図2は、図1の部分拡大図、図3は、ガス拡散層の模式的拡大図である。   Hereinafter, the membrane / electrode assembly provided by the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a unit cell including the membrane / electrode assembly of the present invention, FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic enlarged view of a gas diffusion layer. .

図1において、単セル100は、固体高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)1の一面側に燃料極(アノード)2、及び酸化剤極(カソード)3が設けられた膜・電極接合体6を有している。燃料極2は電解質膜1側から順に燃料極側触媒層4a、燃料極側ガス拡散層5aが積層した構成となっている。酸化剤極3も同様に電解質膜1側から順に酸化剤極側触媒層4b、酸化剤極側ガス拡散層5bが積層された構成となっている。   In FIG. 1, a single cell 100 is a membrane in which a fuel electrode (anode) 2 and an oxidant electrode (cathode) 3 are provided on one side of a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes simply referred to as an electrolyte membrane) 1. -It has the electrode assembly 6. The fuel electrode 2 has a structure in which a fuel electrode side catalyst layer 4a and a fuel electrode side gas diffusion layer 5a are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side. Similarly, the oxidant electrode 3 has a configuration in which an oxidant electrode side catalyst layer 4b and an oxidant electrode side gas diffusion layer 5b are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side.

膜・電極接合体6は、二つのセパレータ7a、7bで狭持され、単セル100が構成されている。各セパレータ7a、7bは、各反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が形成されており、各電極2、3の最外面と反応ガスを供給・排出するための流路8a、8bが画成される。燃料極側の流路8aは、燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させる気体)を燃料極2に供給及び燃料ガスの未反応分を排出するための流路であり、酸化剤極側の流路8bは、酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)を酸化剤極3に供給及び酸化剤ガスの未反応分を排出するための流路である。   The membrane / electrode assembly 6 is sandwiched between two separators 7 a and 7 b to constitute a single cell 100. Each separator 7a, 7b is formed with a groove that forms a flow path for each reaction gas (fuel gas, oxidant gas), and a flow for supplying and discharging the reaction gas and the outermost surface of each electrode 2, 3. Paths 8a and 8b are defined. The flow path 8a on the fuel electrode side is a flow path for supplying fuel gas (a gas containing hydrogen or generating hydrogen) to the fuel electrode 2 and discharging unreacted fuel gas, and on the oxidant electrode side. The flow path 8b is a flow path for supplying an oxidant gas (a gas containing oxygen or generating oxygen) to the oxidant electrode 3 and discharging an unreacted portion of the oxidant gas.

ガス拡散層5は、図3に示すように、複数の導電性炭素質繊維9が網目状に配置されて多孔質構造を形成している。導電性炭素質繊維は、その繊維長方向をガス拡散層の面方向にして配向しており、且つ、他の導電性炭素質繊維とバインダー樹脂によって結着されている。ここで、導電性炭素質繊維の繊維長方向とは、繊維の長手方向を指す(図3(3A)参照)。また、ガス拡散層の面方向とは、ガス拡散層の面が広がる方向、すなわち、触媒層とガス拡散層の積層方向に直交する面が広がる方向である。尚、ガス拡散層を形成する全ての導電性炭素質繊維がその繊維長方向をガス拡散層の面方向にして配向していなくてもよい。
以上のように、ガス拡散層の厚み方向において、複数の導電性炭素質繊維が重なり合うことによって、ガス拡散層5の厚み方向における弾性が確保されている。
As shown in FIG. 3, the gas diffusion layer 5 has a porous structure in which a plurality of conductive carbonaceous fibers 9 are arranged in a mesh shape. The conductive carbonaceous fibers are oriented with the fiber length direction being the plane direction of the gas diffusion layer, and are bound to other conductive carbonaceous fibers by a binder resin. Here, the fiber length direction of the conductive carbonaceous fiber refers to the longitudinal direction of the fiber (see FIG. 3 (3A)). Further, the surface direction of the gas diffusion layer is the direction in which the surface of the gas diffusion layer expands, that is, the direction in which the surface orthogonal to the stacking direction of the catalyst layer and the gas diffusion layer expands. It should be noted that all the conductive carbonaceous fibers forming the gas diffusion layer may not be oriented with the fiber length direction being the plane direction of the gas diffusion layer.
As described above, elasticity in the thickness direction of the gas diffusion layer 5 is ensured by overlapping the plurality of conductive carbonaceous fibers in the thickness direction of the gas diffusion layer.

また、ガス拡散層5は、触媒層4との積層方向、つまり、ガス拡散層の厚さ方向において、該ガス拡散層5を形成する導電性炭素質繊維9の繊維径、及び、バインダー樹脂による結着点間隔について、以下のような分布(A)及び(B)を有している。
(A)導電性炭素質繊維の繊維径が電解質膜側に向かって大きくなる分布
(B)導電性炭素質繊維の繊維長方向において、該導電性炭素質繊維と他の導電性炭素質繊維が結着する結着点のうち、該繊維長方向において隣り合う結着点間隔が、電解質膜側に向かって小さくなる分布
Further, the gas diffusion layer 5 depends on the fiber diameter of the conductive carbonaceous fibers 9 forming the gas diffusion layer 5 and the binder resin in the stacking direction with the catalyst layer 4, that is, in the thickness direction of the gas diffusion layer. The binding point interval has the following distributions (A) and (B).
(A) Distribution in which the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber increases toward the electrolyte membrane (B) In the fiber length direction of the conductive carbonaceous fiber, the conductive carbonaceous fiber and the other conductive carbonaceous fiber are Among the binding points to be bound, a distribution in which the spacing between adjacent binding points in the fiber length direction decreases toward the electrolyte membrane side.

まず、(A)の分布について説明する。導電性炭素質繊維は、繊維径(直径)が小さいほどたわみやすくなる。そのため、導電性炭素質繊維をその繊維長方向を面方向に配向させたガス拡散層は、厚さ方向における弾性力が、該ガス拡散層を形成する導電性炭素質繊維の繊維径が小さくなるほど大きくなる(図4、図5参照)。一方、導電性炭素質繊維は、繊維径が小さいほど、その先端の単位面積当りにかかる力が大きくなるため、隣接する触媒層を突き抜けて電解質膜に突き刺さる、さらには、電解質膜をも突きつけて電解質膜に貫通孔を形成しやすくなる。
ゆえに、ガス拡散層の電解質膜側を、電解質膜に刺さりにくい、繊維径の大きい導電性炭素質繊維で構成することによって、導電性炭素質繊維の突き刺さりによる電解質膜の損傷を抑制することが可能である。そして、電解質膜の損傷の原因にはなりにくい、ガス拡散層のセパレータ側を、繊維径の小さい導電性炭素質繊維で構成することによって、ガス拡散層の厚さ方向における弾性を確保することができる。
First, the distribution (A) will be described. The conductive carbonaceous fiber becomes easier to bend as the fiber diameter (diameter) is smaller. Therefore, in the gas diffusion layer in which the conductive carbonaceous fiber is oriented in the plane direction in the fiber length direction, the elastic force in the thickness direction decreases as the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber forming the gas diffusion layer decreases. (See FIGS. 4 and 5). On the other hand, the conductive carbonaceous fiber has a larger force per unit area at its tip as the fiber diameter is smaller, so it penetrates the adjacent catalyst layer and pierces the electrolyte membrane, and also strikes the electrolyte membrane. It becomes easy to form a through hole in the electrolyte membrane.
Therefore, it is possible to suppress damage to the electrolyte membrane due to the piercing of the conductive carbonaceous fiber by configuring the electrolyte membrane side of the gas diffusion layer with the conductive carbonaceous fiber having a large fiber diameter that is difficult to pierce the electrolyte membrane. It is. And, it is possible to ensure elasticity in the thickness direction of the gas diffusion layer by configuring the separator side of the gas diffusion layer, which is unlikely to cause damage to the electrolyte membrane, with conductive carbonaceous fibers having a small fiber diameter. it can.

次に、(B)の分布について説明する。ガス拡散層において、導電性炭素質繊維は、バインダー樹脂によって結着され、互いに固定されている。このとき、ガス拡散層の面方向にその繊維長方向を配向した導電性炭素質繊維の繊維長方向において、該導電性炭素質繊維と他の導電性炭素質繊維が結着する結着点のうち、該繊維長方向において隣り合う結着点間隔L(図3(3A)参照)が大きい、つまり、繊維長方向において他の導電性炭素質繊維と固定される箇所が少ないほど、該導電性炭素質繊維はたわみやすくなる。すなわち、ガス拡散層は、導電性炭素質繊維同士が固定される結着点間隔が疎であるほど、厚さ方向にたわみやすくなり、厚さ方向の弾性力が高くなる(図4、図6参照)。一方、導電性炭素質繊維同士の結着点間隔が大きいほど、導電性炭素質繊維は、ガス拡散層における固定力が小さいためにガス拡散層の表面から突出し、電解質膜に突き刺さりやすくなる。
ゆえに、ガス拡散層の電解質膜側において、導電性炭素質繊維間の結着点間隔を小さくすることによって、電解質膜に導電性炭素質繊維が突き刺さりにくくし、ガス拡散層のセパレータ側において、導電性炭素質繊維同士の結着点間隔を大きくすることによって、ガス拡散層の厚さ方向における弾性を確保することができる。
Next, the distribution (B) will be described. In the gas diffusion layer, the conductive carbonaceous fibers are bound by a binder resin and fixed to each other. At this time, in the fiber length direction of the conductive carbonaceous fiber in which the fiber length direction is oriented in the plane direction of the gas diffusion layer, the binding point where the conductive carbonaceous fiber and the other conductive carbonaceous fiber bind to each other Among them, the longer the distance L between adjacent binding points in the fiber length direction (see FIG. 3 (3A)), that is, the smaller the number of places fixed to other conductive carbonaceous fibers in the fiber length direction, Carbonaceous fibers are more flexible. That is, the gas diffusion layer is more easily bent in the thickness direction and has a higher elastic force in the thickness direction as the distance between the binding points at which the conductive carbonaceous fibers are fixed is smaller (FIGS. 4 and 6). reference). On the other hand, the larger the binding point interval between the conductive carbonaceous fibers, the easier the conductive carbonaceous fibers protrude from the surface of the gas diffusion layer due to the smaller fixing force in the gas diffusion layer, and the easier it is to pierce the electrolyte membrane.
Therefore, by reducing the binding point interval between the conductive carbonaceous fibers on the electrolyte membrane side of the gas diffusion layer, it becomes difficult for the conductive carbonaceous fibers to penetrate the electrolyte membrane, and the conductive side on the separator side of the gas diffusion layer. The elasticity in the thickness direction of the gas diffusion layer can be ensured by increasing the distance between the binding points of the carbonaceous fibers.

ここで、(B)における導電性炭素質繊維の結着点間隔について、詳しく説明する。
ガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維が、その繊維長方向において、バインダー樹脂により他の導電性炭素質繊維と結着される間隔(結着点間隔)は、様々な要素により決定される。
例えば、同量(重量)の導電性炭素質繊維を用いてガス拡散層を形成する場合、繊維長の長い導電性炭素質繊維を用いれば、使用する導電性炭素質繊維の数が少なくなるため、導電性炭素質繊維同士が重なり合い、バインダー樹脂によって結着される箇所も少なくなる。その結果、導電性炭素質繊維同士が結着される結着点間隔も大きくなる。一方、繊維長の短い導電性炭素質繊維を用いれば、使用する導電性炭素質繊維の数が多くなるため、導電性炭素質繊維が重なり合い、バインダー樹脂によって結着される箇所も多くなる。その結果、導電性炭素質繊維同士が結着される結着点間隔も小さくなる。
Here, the binding point interval of the conductive carbonaceous fiber in (B) will be described in detail.
The interval (binding point interval) at which the conductive carbonaceous fibers constituting the gas diffusion layer are bonded to other conductive carbonaceous fibers by the binder resin in the fiber length direction is determined by various factors. .
For example, when the gas diffusion layer is formed using the same amount (weight) of conductive carbonaceous fibers, if conductive carbonaceous fibers having a long fiber length are used, the number of conductive carbonaceous fibers used is reduced. The conductive carbonaceous fibers overlap each other, and the number of places bound by the binder resin is also reduced. As a result, the binding point interval at which the conductive carbonaceous fibers are bound to each other is also increased. On the other hand, if conductive carbonaceous fibers having a short fiber length are used, the number of conductive carbonaceous fibers to be used increases, so that the conductive carbonaceous fibers overlap and the number of places bound by the binder resin also increases. As a result, the binding point interval at which the conductive carbonaceous fibers are bound to each other is also reduced.

また、同じ繊維長の導電性炭素質繊維を用いた場合でも、バインダー樹脂の使用量が多ければ、導電性炭素質繊維の結着点間隔は小さくなり、バインダー樹脂の使用量が少なければ、導電性炭素質繊維の結着点間隔は大きくなる。   In addition, even when conductive carbonaceous fibers having the same fiber length are used, if the amount of binder resin used is large, the distance between the binding points of the conductive carbonaceous fibers becomes small. The interval between the binding points of the carbonaceous fibers becomes large.

ガス拡散層における導電性炭素質繊維の上記結着点間隔は、以下のようにして算出することができる。まず、ガス拡散層の厚み方向に荷重をかけ、そのときのガス拡散層の厚みを測定し、荷重とガス拡散層の厚さの関係を示す厚み−荷重曲線を求め、ガス拡散層の厚み方向におけるヤング率を算出する。次に、ガス拡散層の厚み方向におけるヤング率と、導電性炭素質繊維の繊維径及び結着点間隔は相関関係があることから、使用した導電性炭素質繊維の繊維径及び上記にて求めたガス拡散層のヤング率の値から、結着点間隔を算出することができる。   The binding point interval of the conductive carbonaceous fiber in the gas diffusion layer can be calculated as follows. First, a load is applied in the thickness direction of the gas diffusion layer, the thickness of the gas diffusion layer at that time is measured, a thickness-load curve indicating the relationship between the load and the thickness of the gas diffusion layer is obtained, and the thickness direction of the gas diffusion layer is determined. Calculate the Young's modulus at. Next, since there is a correlation between the Young's modulus in the thickness direction of the gas diffusion layer, the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber, and the interval between the binding points, the fiber diameter of the used conductive carbonaceous fiber and the above are obtained. Further, the binding point interval can be calculated from the value of the Young's modulus of the gas diffusion layer.

(A)及び(B)の分布を共に有するガス拡散層は、上記導電性炭素質繊維の繊維径分布による厚さ方向の弾性力及び導電性炭素質繊維の刺さり難さと、導電性炭素質繊維同士の結着点間隔による厚さ方向の弾性力及び導電性炭素質繊維の刺さりにくさとの相乗効果によって、厚さ方向における優れた弾性を確保しつつ、該ガス拡散層を形成する導電性炭素質繊維が電解質膜に突き刺さることによる電解質膜の損傷を抑制することが可能である。
すなわち、本発明の膜・電極接合体は、電解質膜等の単セルを構成する部材の厚さ方向における寸法変化が生じた場合や、単セルの積層方向にかかる荷重が変化した場合でも、ガス拡散層の弾性力により、接触抵抗の低減や各部材の損傷が抑制されており、安定した発電性能を示す。また、さらには、ガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維が触媒層及び電解質膜をつき抜けることによる短絡やクロスリークが防止されているため、発電性能に優れると共に、高い耐久性を示す。
The gas diffusion layer having both the distributions of (A) and (B) includes the elastic force in the thickness direction due to the fiber diameter distribution of the conductive carbonaceous fibers and the difficulty of sticking the conductive carbonaceous fibers, and the conductive carbonaceous fibers. Conductivity to form the gas diffusion layer while ensuring excellent elasticity in the thickness direction by a synergistic effect with the elastic force in the thickness direction due to the spacing between the binding points and the stiffness of the conductive carbonaceous fiber It is possible to suppress damage to the electrolyte membrane due to the carbonaceous fibers sticking into the electrolyte membrane.
That is, the membrane / electrode assembly according to the present invention can be used even when a dimensional change in the thickness direction of a member constituting a single cell such as an electrolyte membrane occurs or when a load applied in the stacking direction of the single cell changes. The elastic force of the diffusion layer suppresses contact resistance reduction and damage to each member, and exhibits stable power generation performance. Furthermore, since the short circuit and the cross leak due to the conductive carbonaceous fiber constituting the gas diffusion layer passing through the catalyst layer and the electrolyte membrane are prevented, the power generation performance is excellent and the durability is high.

上記(A)及び(B)の分布を有するガス拡散層は、酸化剤極及び燃料極の少なくとも一方において設けられていればよいが、膜・電極接合体の耐久性、発電性能等、本発明により得られる効果を充分に高めるためには、酸化剤極及び燃料極が共に、上記(A)及び(B)の分布を有するガス拡散層を備えることが好ましい。
本発明において、上記(A)及び(B)の分布は、ガス拡散層の厚さ方向において、階段状に変化するものであっても、傾斜状に変化するものであってもよい。階段状に変化する分布を有する場合、その段数は特に限定されないが、厚さ方向における弾性力の確保及び導電性炭素質繊維の電解質膜への突き刺さり防止という観点からは、2〜3段程度でよく、特に2段が好ましい。尚、(A)と(B)の分布の変化の形態は互いに同じでなくてもよく、例えば、一方は傾斜状に変化し、他方が階段状に変化してもよいし、共に階段状に変化する場合でも、その段数が異なってもよいし、段数が同じでも分布の境界位置が異なっていてもよい。
The gas diffusion layer having the above distributions (A) and (B) may be provided in at least one of the oxidant electrode and the fuel electrode. The present invention includes the durability of the membrane / electrode assembly, the power generation performance, and the like. In order to sufficiently enhance the effect obtained by the above, it is preferable that both the oxidant electrode and the fuel electrode include gas diffusion layers having the distributions (A) and (B).
In the present invention, the distributions (A) and (B) described above may change stepwise or in an inclined manner in the thickness direction of the gas diffusion layer. In the case of having a stepwise distribution, the number of steps is not particularly limited, but from the viewpoint of securing elastic force in the thickness direction and preventing piercing of the conductive carbonaceous fibers into the electrolyte membrane, it is about 2 to 3 steps. In particular, two stages are particularly preferable. Note that the forms of changes in the distribution of (A) and (B) may not be the same as each other. For example, one of them may change in an inclined shape, the other may change in a stepped shape, Even in the case of a change, the number of stages may be different, or the number of stages may be the same or the boundary position of the distribution may be different.

ここで、階段状に変化する分布(A)及び(B)を有するガス拡散層について説明する。図2において、ガス拡散層5は、電解質膜1側から順に第1のガス拡散層5’と第2のガス拡散層5”とが積層した2層構造を有している。   Here, the gas diffusion layer having the distributions (A) and (B) that change stepwise will be described. In FIG. 2, the gas diffusion layer 5 has a two-layer structure in which a first gas diffusion layer 5 ′ and a second gas diffusion layer 5 ″ are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side.

電解質膜側に配置された第1のガス拡散層は、第2のガス拡散層に比べて、平均繊維径の大きい導電性炭素質繊維で構成される(分布(A))。第2のガス拡散層と比較して第1のガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維の平均繊維径が大きければ、第1のガス拡散層と第2のガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維の具体的な繊維径は、特に限定されない。
電解質膜への導電性炭素質繊維の突き刺さり防止の観点から、第1のガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維の平均繊維径は、7μm以上であることが好ましい。また、ガス拡散層の厚さ方向における弾性の観点から、第2のガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維の平均繊維径は、5μm以下であることが好ましい。
The first gas diffusion layer disposed on the electrolyte membrane side is composed of conductive carbonaceous fibers having a larger average fiber diameter than the second gas diffusion layer (distribution (A)). If the average fiber diameter of the conductive carbonaceous fibers constituting the first gas diffusion layer is larger than that of the second gas diffusion layer, the conductivity constituting the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer The specific fiber diameter of the carbonaceous fiber is not particularly limited.
From the viewpoint of preventing the conductive carbonaceous fibers from sticking into the electrolyte membrane, the average fiber diameter of the conductive carbonaceous fibers constituting the first gas diffusion layer is preferably 7 μm or more. Further, from the viewpoint of elasticity in the thickness direction of the gas diffusion layer, the average fiber diameter of the conductive carbonaceous fibers constituting the second gas diffusion layer is preferably 5 μm or less.

また、電解質膜側に配置された第1のガス拡散層は、第2のガス拡散層に比べて、導電性炭素質繊維の結着点間隔の平均値が小さい(分布(B))。第2のガス拡散層と比較して第1のガス拡散層における導電性炭素質繊維の平均結着点間隔が小さければ、第1のガス拡散層と第2のガス拡散層における具体的な平均結着点間隔は、特に限定されない。
電解質膜への導電性炭素質繊維の突き刺さり防止の観点から、第1のガス拡散層における導電性炭素質繊維の平均結着点間隔は、60μm未満であることが好ましい。また、ガス拡散層の厚さ方向における弾性の観点から、第2のガス拡散層における導電性炭素質繊維の平均結着点間隔は、100μm以上であることが好ましい。
In addition, the first gas diffusion layer disposed on the electrolyte membrane side has a smaller average value of the binding point intervals of the conductive carbonaceous fibers than the second gas diffusion layer (distribution (B)). If the average binding point interval of the conductive carbonaceous fibers in the first gas diffusion layer is smaller than that in the second gas diffusion layer, the specific average in the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer The interval between the binding points is not particularly limited.
From the viewpoint of preventing the conductive carbonaceous fibers from sticking to the electrolyte membrane, the average binding point interval of the conductive carbonaceous fibers in the first gas diffusion layer is preferably less than 60 μm. In addition, from the viewpoint of elasticity in the thickness direction of the gas diffusion layer, the average binding point interval of the conductive carbonaceous fibers in the second gas diffusion layer is preferably 100 μm or more.

以上のような2層構造を有するガス拡散層において、第1のガス拡散層及び第2のガス拡散層の厚さは特に限定されないが、ガス拡散層の厚さ方向における弾性確保の観点からは、第1のガス拡散層に比べて第2のガス拡散層の方が厚いことが好ましい。第1のガス拡散層は、ガス拡散層を構成する導電性炭素質繊維が電解質膜に刺さることを防止できれば、薄いほどよい。   In the gas diffusion layer having the above two-layer structure, the thickness of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer is not particularly limited, but from the viewpoint of ensuring elasticity in the thickness direction of the gas diffusion layer. The second gas diffusion layer is preferably thicker than the first gas diffusion layer. The first gas diffusion layer is preferably as thin as possible if the conductive carbonaceous fibers constituting the gas diffusion layer can be prevented from sticking into the electrolyte membrane.

導電性炭素質繊維としては、ガス拡散層を形成する繊維状炭素として利用可能なものであれば、特に限定されずに使用することができる。また、バインダー樹脂としては、導電性炭素質繊維を結着させることが可能な樹脂であれば特に限定されず、例えばポリテトラフルオロエチレン等を使用することができる。   The conductive carbonaceous fiber can be used without particular limitation as long as it can be used as fibrous carbon forming the gas diffusion layer. The binder resin is not particularly limited as long as it is a resin capable of binding conductive carbonaceous fibers. For example, polytetrafluoroethylene or the like can be used.

以上のようなガス拡散層を備える本発明の膜・電極接合体の構造は特に限定されない。ここでは、図1を例に説明する。
電解質膜1としては、例えば、ナフィオン(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系電解質膜の他、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素系樹脂にスルホン酸基、リン酸基、カルボキシル基等のイオン交換基を導入した炭化水素系電解質膜等、一般的に用いられているものを用いることができる。
The structure of the membrane / electrode assembly of the present invention having the gas diffusion layer as described above is not particularly limited. Here, FIG. 1 will be described as an example.
Examples of the electrolyte membrane 1 include, for example, a fluorine-based electrolyte membrane such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane represented by Nafion (trade name), and a hydrocarbon resin such as polyether ketone, polyether ether ketone, and polyether sulfone. Commonly used ones such as hydrocarbon electrolyte membranes into which ion exchange groups such as sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, and carboxyl groups are introduced can be used.

触媒層4は、通常、各電極における電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒と電解質材料とを含有する触媒インクを用いて形成される。
電極触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等が挙げられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。
電解質材料としては、電解質膜を構成する電解質樹脂として例示した電解質樹脂等を用いることができる。
The catalyst layer 4 is usually formed using a catalyst ink containing an electrode catalyst having catalytic activity for an electrode reaction in each electrode and an electrolyte material.
As the electrode catalyst, one in which a catalyst component is supported on conductive particles is usually used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel at the fuel electrode or the reduction reaction of the oxidant at the oxidant electrode, and is generally used for polymer fuel cells. What is used for can be used. For example, platinum or an alloy of platinum and a metal such as ruthenium, iron, nickel, manganese, cobalt, copper, and the like can be given. As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black, conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers can also be used.
As the electrolyte material, the electrolyte resin exemplified as the electrolyte resin constituting the electrolyte membrane can be used.

触媒インクは上記のような触媒と電解質材料とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、電極触媒及び電解質材料以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。   The catalyst ink is obtained by dissolving or dispersing the above catalyst and an electrolyte material in a solvent. The solvent of the catalyst ink may be appropriately selected. For example, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (DMSO), or organic solvents such as these Mixtures and mixtures of these organic solvents and water can be used. In addition to the electrode catalyst and the electrolyte material, the catalyst ink may contain other components such as a binder and a water repellent resin as necessary.

触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層の表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層となるガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、電解質膜又はガス拡散層シートと熱圧着等により接合し、電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよい。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited. For example, the catalyst layer may be formed on the surface of the gas diffusion layer sheet to be the gas diffusion layer by applying and drying the catalyst ink on the surface of the gas diffusion layer, Alternatively, the catalyst layer may be formed on the electrolyte membrane surface by applying and drying the catalyst ink on the electrolyte membrane surface. Alternatively, a transfer sheet is prepared by applying and drying a catalyst ink on the surface of the transfer substrate, and the transfer sheet is joined to the electrolyte membrane or gas diffusion layer sheet by thermocompression bonding or the like, and the catalyst is formed on the electrolyte membrane surface. A layer may be formed, or a catalyst layer may be formed on the surface of the gas diffusion layer sheet.

触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、0.1〜2.0mg/cm程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、1〜50μm程度とすればよい。
The method for applying the catalyst ink, the drying method, and the like can be selected as appropriate. For example, examples of the coating method include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method. Examples of the drying method include reduced-pressure drying, heat drying, and reduced-pressure heat drying. There is no restriction | limiting in the specific conditions in reduced pressure drying and heat drying, What is necessary is just to set suitably.
The amount of catalyst ink applied varies depending on the composition of the catalyst ink and the catalyst performance of the catalyst metal used in the electrode catalyst, but the amount of catalyst component per unit area is about 0.1 to 2.0 mg / cm 2. What should I do? The thickness of the catalyst layer is not particularly limited, but may be about 1 to 50 μm.

ガス拡散層と触媒層の間には、必要に応じて、撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。   A water-repellent layer can be provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer as necessary. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.

ガス拡散層と触媒層の間に撥水層を形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、ガス拡散層シートの触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。撥水層の厚さは、通常、1〜150μm程度でよい。撥水層インクをガス拡散層シートに塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。   The method for forming the water repellent layer between the gas diffusion layer and the catalyst layer is not particularly limited. For example, water repellent obtained by mixing conductive particles such as carbon particles, water repellent resin, and other components as necessary with an organic solvent such as ethanol, propanol, propylene glycol, water or a mixture thereof. The layer ink may be applied to the side of the gas diffusion layer sheet facing the catalyst layer, and then dried and / or fired. The thickness of the water repellent layer may usually be about 1 to 150 μm. Examples of the method of applying the water repellent layer ink to the gas diffusion layer sheet include a screen printing method, a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method.

上記したような方法によって触媒層を形成した電解質膜及びガス拡散層シートは、適宜、重ね併せて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。   The electrolyte membrane and gas diffusion layer sheet on which the catalyst layer has been formed by the above-described method are appropriately overlapped and subjected to thermocompression bonding or the like, and joined together to obtain a membrane / electrode assembly.

作製された膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。   The produced membrane / electrode assembly is further sandwiched between separators to form a single cell. The separator has conductivity and gas sealing properties, and can function as a current collector and gas sealing body, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with resin, metal A metal separator using a material can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. .

[参考実験1:導電性炭素質繊維の繊維径及び結着点間隔とガス拡散層の弾性の関係]
平均繊維径が5μm、6μm、7μm、8μmの導電性炭素質繊維を用いて、平均結着点間隔Laveが異なる(10μm、20μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、60μm、70μm、80μm)ガス拡散層(バインダー樹脂:PTFE)に対して、その厚さ方向に荷重をかけ、厚さの変化量(μm)を測定し、膜厚方向の弾性を調べた。結果を図4に示す。
図4に示すように、導電性炭素質繊維の繊維径が小さいほど、また、結着点間隔が大きいほどガス拡散層の厚さ方向における弾性は大きくなった。
[Reference Experiment 1: Relationship between Fiber Diameter and Bonding Point Spacing of Conductive Carbonaceous Fiber and Elasticity of Gas Diffusion Layer]
Using conductive carbonaceous fibers having an average fiber diameter of 5 μm, 6 μm, 7 μm, and 8 μm, the average binding point interval Lave is different (10 μm, 20 μm, 30 μm, 35 μm, 40 μm, 45 μm, 50 μm, 60 μm, 70 μm, 80 μm). A load was applied to the gas diffusion layer (binder resin: PTFE) in the thickness direction, the amount of change in thickness (μm) was measured, and the elasticity in the film thickness direction was examined. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 4, the elasticity in the thickness direction of the gas diffusion layer increased as the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber decreased and as the binding point interval increased.

[参考実験2:導電性炭素質繊維の繊維径とガス拡散層の弾性及びリーク電流の関係]
平均繊維径が5μm、6μm、7μm、8μm、10μmの導電性炭素質繊維を用いて、ガス拡散層(バインダー使用量及び導電性炭素質繊維使用量同じ)について、参考実験2と同様にして、膜厚方向の弾性を調べた。結果を図5に示す。
また、上記各ガス拡散層を用い、以下のようにして膜・電極接合体を作製した。すなわち、電解質膜の両面に、触媒インク(白金担持カーボン及びパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を溶媒に分散、溶解したもの)を塗布、乾燥した後、上記各ガス拡散層2枚で狭持した。得られた膜・電極接合体に対して、一定電圧を印加したときの電流値を測定し、リーク電流値を算出した。結果を図5に示す。
[Reference Experiment 2: Relationship between Fiber Diameter of Conductive Carbonaceous Fiber, Elasticity of Gas Diffusion Layer, and Leakage Current]
Using conductive carbonaceous fibers having an average fiber diameter of 5 μm, 6 μm, 7 μm, 8 μm, and 10 μm, for the gas diffusion layer (the same amount of binder and conductive carbonaceous fibers are used) as in Reference Experiment 2, The elasticity in the film thickness direction was examined. The results are shown in FIG.
Further, using each gas diffusion layer, a membrane / electrode assembly was produced as follows. Specifically, catalyst ink (platinum-supported carbon and perfluorocarbon sulfonic acid resin dispersed and dissolved in a solvent) was applied to both surfaces of the electrolyte membrane, dried, and then sandwiched between the two gas diffusion layers. With respect to the obtained membrane / electrode assembly, a current value when a constant voltage was applied was measured, and a leak current value was calculated. The results are shown in FIG.

図5に示すように、導電性炭素質繊維の繊維径が小さいほど、リーク電流値が大きい、つまり、短絡が発生しやすいことがわかる。また、導電性炭素質繊維の繊維径が小さいほどガス拡散層の弾性が高くなることがわかる。
リーク電流値は小さいほど好ましいが、30mA以下であればよいことから、ガス拡散層の電解質膜側は、7μm以上の繊維径を有する導電性炭素質繊維で構成されることが好ましいといえる。一方、ガス拡散層の弾性は、12μm以上であることが好ましいことから、ガス拡散層のセパレータ側は、5μm以下の繊維径を有する導電性炭素質繊維で構成されることが好ましいといえる。
As shown in FIG. 5, it can be seen that the smaller the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber, the larger the leak current value, that is, the short circuit is likely to occur. Moreover, it turns out that the elasticity of a gas diffusion layer becomes so high that the fiber diameter of electroconductive carbonaceous fiber is small.
The smaller the leakage current value, the better. However, since it is sufficient if it is 30 mA or less, it can be said that the electrolyte membrane side of the gas diffusion layer is preferably composed of conductive carbonaceous fibers having a fiber diameter of 7 μm or more. On the other hand, since the elasticity of the gas diffusion layer is preferably 12 μm or more, it can be said that the separator side of the gas diffusion layer is preferably composed of conductive carbonaceous fibers having a fiber diameter of 5 μm or less.

[参考実験3:導電性炭素質繊維の結着点間隔とガス拡散層の弾性及びリーク電流の関係]
導電性炭素質繊維及びバインダー樹脂を用いて、結着点間隔が20μm、40μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、120μmのガス拡散層を作製し、参考実験2と同様にして、ガス拡散層の膜厚方向の弾性及び膜・電極接合体のリーク電流値を算出した。結果を図6に示す。
[Reference Experiment 3: Relationship between Bonding Point Spacing of Conductive Carbonaceous Fiber, Elasticity of Gas Diffusion Layer, and Leakage Current]
Using conductive carbonaceous fibers and a binder resin, gas diffusion layers having binding point intervals of 20 μm, 40 μm, 60 μm, 70 μm, 80 μm, 90 μm, 100 μm, and 120 μm were prepared, and gas diffusion was performed in the same manner as in Reference Experiment 2. The elasticity of the layer in the film thickness direction and the leakage current value of the membrane / electrode assembly were calculated. The results are shown in FIG.

図6に示すように、導電性炭素質繊維の結着点間隔が大きいほど、リーク電流値が大きい、つまり、短絡が発生しやすいことがわかる。また、導電性炭素質繊維の結着点間隔が大きいほどガス拡散層の弾性が高くなることがわかる。
リーク電流値は小さいほど好ましいが、30mA以下であればよいことから、ガス拡散層の電解質膜側は、導電性炭素質繊維の結着点間隔が60μm以下であることが好ましいといえる。一方、ガス拡散層の弾性は、12μm以上であることが好ましいことから、ガス拡散層のセパレータ側は、導電性炭素質繊維の結着点間隔が100μm以上であることが好ましいといえる。
As shown in FIG. 6, it can be seen that the larger the binding point interval of the conductive carbonaceous fiber is, the larger the leak current value is, that is, a short circuit is likely to occur. Moreover, it turns out that the elasticity of a gas diffusion layer becomes so high that the binding point space | interval of electroconductive carbonaceous fiber is large.
The smaller the leak current value, the better. However, it is sufficient that the leakage current value is 30 mA or less. Therefore, it can be said that the electrolyte membrane side of the gas diffusion layer preferably has a binding point interval of conductive carbonaceous fibers of 60 μm or less. On the other hand, since the elasticity of the gas diffusion layer is preferably 12 μm or more, it can be said that the separator side of the gas diffusion layer preferably has an interval between the binding points of the conductive carbonaceous fibers of 100 μm or more.

本発明の膜・電極接合体を備える単セルの一形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of a single cell provided with the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の膜・電極接合体の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the membrane electrode assembly of the present invention. 本発明の膜・電極接合体のガス拡散層を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly of this invention. 参考実験1の結果を示すグラフである。6 is a graph showing the results of Reference Experiment 1. 参考実験2の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of Reference Experiment 2. 参考実験3の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of Reference Experiment 3. 従来の一般的な燃料電池用単セルの形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of a form of the conventional common cell for fuel cells.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…燃料極(アノード)
3…酸化剤極(カソード)
4a…アノード側触媒層
4b…カソード側触媒層
5a…アノード側ガス拡散層
5b…カソード側ガス拡散層
5’…第1のガス拡散層
5”…第2のガス拡散層
6…膜・電極接合体
7a…アノード側セパレータ
7b…カソード側セパレータ
8a…アノード側ガス流路
8b…カソード側ガス流路
9…導電性炭素質繊維
10…電解質膜
11…燃料極(アノード)
12…酸化剤極(カソード)
13a…アノード側触媒層
13b…カソード側触媒層
14a…アノード側ガス拡散層
14b…カソード側ガス拡散層
15…膜・電極接合体
16a…アノード側セパレータ
16b…カソード側セパレータ
17a…アノード側ガス流路
17b…カソード側ガス流路
100…単セル
200…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode (anode)
3 ... Oxidant electrode (cathode)
4a ... Anode side catalyst layer 4b ... Cathode side catalyst layer 5a ... Anode side gas diffusion layer 5b ... Cathode side gas diffusion layer 5 '... First gas diffusion layer 5 "... Second gas diffusion layer 6 ... Membrane / electrode junction Body 7a ... Anode-side separator 7b ... Cathode-side separator 8a ... Anode-side gas flow path 8b ... Cathode-side gas flow path 9 ... Conductive carbonaceous fiber 10 ... Electrolyte membrane 11 ... Fuel electrode (anode)
12 ... Oxidant electrode (cathode)
13a ... Anode side catalyst layer 13b ... Cathode side catalyst layer 14a ... Anode side gas diffusion layer 14b ... Cathode side gas diffusion layer 15 ... Membrane / electrode assembly 16a ... Anode side separator 16b ... Cathode side separator 17a ... Anode side gas flow path 17b ... Cathode side gas flow path 100 ... Single cell 200 ... Single cell

Claims (4)

電解質膜と、該電解質膜を狭持する一対の電極とを備える膜・電極接合体であって、
前記電極のうち少なくとも一方は、前記電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とが積層した積層構造を有しており、
該ガス拡散層は、
繊維長方向を該ガス拡散層の面方向に配向した複数の導電性炭素質繊維がバインダー樹脂で結着された構造を有すると共に、
前記積層構造の積層方向において、
(A)前記導電性炭素質繊維の繊維径が前記電解質膜側に向かって大きくなる分布と、
(B)前記導電性炭素質繊維の繊維長方向において、該導電性炭素質繊維と他の導電性炭素質繊維が結着する結着点のうち、該繊維長方向において隣り合う結着点間隔が、前記電解質膜側に向かって小さくなる分布と、
を有することを特徴とする、膜・電極接合体。
A membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a pair of electrodes that sandwich the electrolyte membrane,
At least one of the electrodes has a laminated structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in order from the electrolyte membrane side,
The gas diffusion layer is
While having a structure in which a plurality of conductive carbonaceous fibers oriented in the fiber length direction in the plane direction of the gas diffusion layer are bound with a binder resin,
In the stacking direction of the stacked structure,
(A) a distribution in which the fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber increases toward the electrolyte membrane;
(B) Among the binding points at which the conductive carbonaceous fiber and other conductive carbonaceous fibers bind in the fiber length direction of the conductive carbonaceous fiber, the adjacent binding point intervals in the fiber length direction. Is a distribution that decreases toward the electrolyte membrane side,
A membrane / electrode assembly comprising:
前記ガス拡散層は、前記電解質膜側から順に、前記導電性炭素質繊維の平均繊維径が7μm以上である第1のガス拡散層と、前記導電性炭素質繊維の平均繊維径が5μm以下である第2のガス拡散層と、が積層した2層構造を有している、請求項1に記載の膜・電極接合体。   The gas diffusion layer includes, in order from the electrolyte membrane side, a first gas diffusion layer having an average fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber of 7 μm or more and an average fiber diameter of the conductive carbonaceous fiber of 5 μm or less. The membrane / electrode assembly according to claim 1, which has a two-layer structure in which a second gas diffusion layer is laminated. 前記ガス拡散層は、前記電解質膜側から順に、前記結着点間隔の平均が60μm未満である第1のガス拡散層と、前記結着点間隔の平均が100μm以上である第2のガス拡散層と、が積層した2層構造を有している、請求項1又は2に記載の膜・電極接合体。   The gas diffusion layer includes, in order from the electrolyte membrane side, a first gas diffusion layer having an average binding point interval of less than 60 μm and a second gas diffusion having an average binding point interval of 100 μm or more. The membrane / electrode assembly according to claim 1, which has a two-layer structure in which layers are laminated. 前記第2のガス拡散層の膜厚が、前記第1のガス拡散層の膜厚よりも厚い、請求項2又は3に記載の膜・電極接合体。   4. The membrane-electrode assembly according to claim 2, wherein a film thickness of the second gas diffusion layer is larger than a film thickness of the first gas diffusion layer.
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