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JP2013069551A - Solid polymer fuel cell and manufacturing method of gas diffusion electrode - Google Patents

Solid polymer fuel cell and manufacturing method of gas diffusion electrode Download PDF

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JP2013069551A
JP2013069551A JP2011207492A JP2011207492A JP2013069551A JP 2013069551 A JP2013069551 A JP 2013069551A JP 2011207492 A JP2011207492 A JP 2011207492A JP 2011207492 A JP2011207492 A JP 2011207492A JP 2013069551 A JP2013069551 A JP 2013069551A
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Japan
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catalyst
gas diffusion
electrolyte membrane
pair
electrode
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JP2011207492A
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Masahiro Watanabe
政廣 渡辺
Hiroyuki Uchida
裕之 内田
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University of Yamanashi NUC
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University of Yamanashi NUC
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Abstract

【課題】 イオン伝導性に優れ、かつクロスオーバー阻止効果に優れた固体高分子形燃料電池及びガス拡散電極の製造方法を提供する。
【解決手段】 カチオンまたはアニオンを透過させる電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された、カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂をバインダーとして担持または無担持金属触媒で形成された一対の触媒層と、前記一対の触媒層を挟んで配置された、ガスを拡散させるための一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟んで配置された、ガスの流路が形成された一対のセパレータと、を備え、前記一対の触媒層のうち少なくとも一方は、親水性酸化物を含んでいる固体高分子形燃料電池。
【選択図】図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell excellent in ion conductivity and excellent in crossover prevention effect and a method for producing a gas diffusion electrode.
An electrolyte membrane that permeates cations or anions, and a pair of catalyst layers formed with a supported or unsupported metal catalyst with a cation exchange resin or anion exchange resin as a binder, sandwiched between the electrolyte membranes; A pair of gas diffusion layers for diffusing gas disposed between the pair of catalyst layers, and a pair of separators disposed between the pair of gas diffusion layers and having gas flow paths formed therebetween. A solid polymer fuel cell in which at least one of the pair of catalyst layers contains a hydrophilic oxide.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は固体高分子形燃料電池及びガス拡散電極の製造方法に関し、特に触媒層を親水化した固体高分子形燃料電池及びガス拡散電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing a gas diffusion electrode, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell having a hydrophilized catalyst layer and a method for producing a gas diffusion electrode.

固体高分子形燃料電池は、高いイオン伝導性を有する高分子電解質膜が開発されたことや、その高分子電解質膜と同種或いは異種のイオン交換樹脂で被覆された触媒担持カーボン微粒子を電極の触媒層の構成材料として使用し、触媒層内の反応サイトの3次元化が図られるようになったこと等によって、電池特性が飛躍的に向上した。   In the polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane having high ion conductivity has been developed, and catalyst-supported carbon fine particles coated with an ion exchange resin of the same type or different from the polymer electrolyte membrane are used as an electrode catalyst. The battery characteristics were dramatically improved by using it as a constituent material of the layer and making the reaction sites in the catalyst layer three-dimensional.

このように高い電池特性が得られるようになったことに加え、小型軽量化が容易であることから、固体高分子形燃料電池は、電気自動車等の移動車両や、小型コジェネレーションシステムの電源等としての実用化推進が図られている。   In addition to being able to obtain such high battery characteristics, it is easy to reduce the size and weight, so solid polymer fuel cells are used for mobile vehicles such as electric vehicles, power sources for small cogeneration systems, etc. Promotion of practical application as

しかしながら、固体高分子形燃料電池は、その作動温度領域が高分子電解質膜の耐熱性やイオン伝導性等の制約により一般的に低く、その排熱も利用しにくい。そのため、固体高分子形燃料電池の実用化のために、特に純水素等のアノード反応ガス利用率及び空気等のカソード反応ガス利用率の高い作動条件下において、高い発電効率や高い出力密度を得ることのできる性能も要求される。   However, solid polymer fuel cells generally have a low operating temperature range due to restrictions such as heat resistance and ion conductivity of the polymer electrolyte membrane, and it is difficult to use the exhaust heat. Therefore, for practical application of polymer electrolyte fuel cells, high power generation efficiency and high power density are obtained, especially under operating conditions with high utilization rates of anode reaction gas such as pure hydrogen and cathode reaction gas such as air. Performance that can be done is also required.

ここで、電解質膜を構成する電解質組成物が乾燥すると、イオン伝導性と電極性能が著しく低下する。一方、電解質組成物が十分湿潤しているほどイオン伝導性が高くなるため、電解質組成物の中を電流が流れるときおよび電極反応でのエネルギー損失が少なくなり、高性能の固体高分子形燃料電池を得ることができる。また、十分に湿潤した電解質組成物は、例えば、アノードに供給される水素ガス及びカソードに供給される酸素ガスが電解質組成物の中をそのまま通り抜けてリークするという所謂クロスオーバーを阻止することもできる。   Here, when the electrolyte composition constituting the electrolyte membrane is dried, the ion conductivity and the electrode performance are remarkably deteriorated. On the other hand, the higher the wetness of the electrolyte composition, the higher the ionic conductivity. Therefore, when a current flows through the electrolyte composition and the energy loss in the electrode reaction is reduced, a high-performance solid polymer fuel cell Can be obtained. A sufficiently wetted electrolyte composition can also prevent a so-called crossover in which, for example, hydrogen gas supplied to the anode and oxygen gas supplied to the cathode pass through the electrolyte composition and leak. .

このように、電解質組成物の乾燥を防止するとともにクロスオーバーを阻止して、電解質組成物のイオン伝導性を向上させるとともに電極反応速度を向上させることを意図し、例えば、特許文献1の高分子固体電解質組成物が提案されている。特許文献1の高分子固体電解質組成物は、カチオン交換樹脂より成る高分子固体電解質に、白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウム及びルテニウムの中から選ばれた金属触媒の少なくとも一つ以上を前記高分子固体電解質の重量に対して0.01〜80重量%含有させると共に、シリカ及びチタニアより選ばれる1種以上の金属酸化物の微細粒子及び/又は繊維を前記高分子固体電解質の重量に対して0.01〜50重量%含有させて成ることを備えている。   Thus, it is intended to prevent the electrolyte composition from drying and to prevent crossover, thereby improving the ionic conductivity of the electrolyte composition and improving the electrode reaction rate. Solid electrolyte compositions have been proposed. In the polymer solid electrolyte composition of Patent Document 1, at least one metal catalyst selected from platinum, gold, palladium, rhodium, iridium and ruthenium is added to the polymer solid electrolyte made of a cation exchange resin. 0.01 to 80% by weight with respect to the weight of the molecular solid electrolyte, and at least one metal oxide fine particle and / or fiber selected from silica and titania with respect to the weight of the polymer solid electrolyte 0.01 to 50% by weight is included.

これにより、イオン伝導性及びクロスオーバー阻止効果に優れた高分子固体電解質組成物を提供することができるとしている。   Thereby, it is said that the polymer solid electrolyte composition excellent in the ion conductivity and the crossover prevention effect can be provided.

特許第3375200号公報Japanese Patent No. 3375200

しかしながら、特許文献1に記載された高分子固体電解質組成物は、電解質膜を構成するものであり、電解質膜にシリカ等の金属酸化物微“粒子”または“繊維”を入れるには、複雑なプロセスが必要になり、かつ、膜に均一に入れることが困難という問題がある。   However, the polymer solid electrolyte composition described in Patent Document 1 constitutes an electrolyte membrane, and it is complicated to place fine metal oxide “particles” or “fibers” such as silica in the electrolyte membrane. There is a problem that a process is required and it is difficult to uniformly enter the film.

また、電解質膜にはシリカの添加量に上限があり、添加量の影響がそれほど大きくないという問題もある。   Further, the electrolyte membrane has an upper limit on the amount of silica added, and there is a problem that the influence of the amount added is not so great.

本発明は、かかる実情に鑑み、複雑なプロセスを必要とせず、イオン伝導性に優れ、かつ低湿度起動性能に優れた固体高分子形燃料電池及びガス拡散電極の製造方法を提供しようとするものである。   In view of such circumstances, the present invention intends to provide a polymer electrolyte fuel cell and a gas diffusion electrode manufacturing method that do not require a complicated process, have excellent ion conductivity, and have excellent low-humidity starting performance. It is.

本発明の各課題は、以下の発明により解決することができる。   Each problem of the present invention can be solved by the following invention.

即ち、本発明の固体高分子形燃料電池は、カチオンまたはアニオンを透過させる電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された、カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂をバインダーとして担持または無担持金属触媒で形成された一対の触媒層と、前記一対の触媒層を挟んで配置された、ガスを拡散させるための一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟んで配置された、ガスの流路が形成された一対のセパレータと、を備え、前記一対の触媒層のうち少なくとも一方は、親水性酸化物を含んでいることを主要な特徴にしている。   That is, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises an electrolyte membrane that allows permeation of cations or anions, and a supported or unsupported metal catalyst that is disposed with the electrolyte membrane sandwiched between the cation exchange resin or the anion exchange resin. A pair of formed catalyst layers, a pair of gas diffusion layers for diffusing gas disposed between the pair of catalyst layers, and a gas flow disposed between the pair of gas diffusion layers. And a pair of separators formed with channels, and at least one of the pair of catalyst layers includes a hydrophilic oxide.

これにより、触媒層中の親水性酸化物が、燃料電池の反応で生成した水をトラップし、トラップした水により電解質膜を加湿するので、外部からの加湿がなくても触媒層及び電解質膜を加湿することができ、これにより、イオン伝導性を良好にすることができ、低湿度における起動性能を向上させることができる。   As a result, the hydrophilic oxide in the catalyst layer traps the water generated by the reaction of the fuel cell and humidifies the electrolyte membrane with the trapped water, so that the catalyst layer and the electrolyte membrane can be removed without any external humidification. Humidification can be performed, whereby ion conductivity can be improved, and start-up performance at low humidity can be improved.

また、外部から高加湿なガスが供給された場合においては、親水性酸化物が、水分をトラップして加湿状態を調整するので、触媒層が過度に加湿されることを防ぐことができる。   In addition, when a highly humidified gas is supplied from the outside, the hydrophilic oxide traps moisture and adjusts the humidified state, so that the catalyst layer can be prevented from being excessively humidified.

また、本発明の固体高分子形燃料電池は、前記親水性酸化物が、酸化物ゾルから調製されたものであることを主要な特徴にしている。   The main feature of the solid polymer fuel cell of the present invention is that the hydrophilic oxide is prepared from an oxide sol.

更に、本発明のガス拡散電極の製造方法は、アルコール、金属酸化物前駆体ゾル、および無機酸の混合液を準備する準備ステップと、前記混合液を撹拌して親水性酸化物のゲル分散溶液を作製するゲル分散溶液作製ステップと、Pt/C触媒と水とアルコールを準備し、これらを混合して触媒混合液を作製する触媒混合液作製ステップと、前記触媒混合液と、前記ゲル分散溶液と、イオン交換樹脂とを混合することにより親水性酸化物ゲルが分散した触媒ペーストを作製する触媒ペースト作製ステップと、前記触媒ペーストを前記ガス拡散層上または前記電解質膜上に塗布することにより触媒ペースト付きガス拡散層を作製する塗布ステップと、前記塗布ステップで作製された、前記触媒ペースト付きガス拡散層を乾燥させて親水性酸化物含有のガス拡散電極を作製するステップとを備えたことを主要な特徴にしている。   Furthermore, the method for producing a gas diffusion electrode of the present invention includes a preparation step of preparing a mixed solution of alcohol, a metal oxide precursor sol, and an inorganic acid, and a gel dispersion solution of a hydrophilic oxide by stirring the mixed solution. Preparing a gel dispersion solution, preparing a Pt / C catalyst, water and alcohol, mixing these to prepare a catalyst mixture, preparing the catalyst mixture, the catalyst mixture, and the gel dispersion And a catalyst paste preparation step for preparing a catalyst paste in which a hydrophilic oxide gel is dispersed by mixing an ion exchange resin, and applying the catalyst paste on the gas diffusion layer or the electrolyte membrane A gas diffusion layer having a paste, and a gas diffusion layer having a hydrophilic oxide, which is prepared in the application step and dried. And a step of producing a diffusion electrode.

これにより、触媒層中に均一に分散された親水性酸化物が、燃料電池の反応で生成した水をトラップし、さらにトラップした水により電解質膜を加湿するので、外部からの加湿がなくても触媒層および電解質膜を加湿することができ、これにより、イオン伝導性を良好にし、かつ触媒層の水分を調節できるガス拡散電極を製造することができる。   As a result, the hydrophilic oxide uniformly dispersed in the catalyst layer traps the water generated by the reaction of the fuel cell, and further humidifies the electrolyte membrane with the trapped water, so there is no need for external humidification. The catalyst layer and the electrolyte membrane can be humidified, whereby a gas diffusion electrode that can improve the ionic conductivity and adjust the moisture of the catalyst layer can be manufactured.

また、外部から高加湿なガスが供給された場合においては、親水性酸化物が、水分をトラップして加湿状態を調整するので、触媒層が過度に加湿され酸素拡散を阻害することを防ぐことができるガス拡散電極を製造することができる。   In addition, when a highly humidified gas is supplied from the outside, the hydrophilic oxide traps moisture and adjusts the humidified state, thereby preventing the catalyst layer from being excessively humidified and inhibiting oxygen diffusion. It is possible to manufacture a gas diffusion electrode that can be used.

更にまた、本発明の電極一体化電解質膜の製造方法は、アルコール、金属酸化物前駆体ゾル、および無機酸の混合液を準備する準備ステップと、前記混合液を撹拌して親水性酸化物のゲル分散溶液を作製するゲル分散溶液作製ステップと、Pt/C触媒と水とアルコールを準備し、これらを混合して触媒混合液を作製する触媒混合液作製ステップと、前記触媒混合液と、前記ゲル分散溶液と、イオン交換樹脂とを混合することにより親水性酸化物ゲルが分散した触媒ペーストを作製する触媒ペースト作製ステップと、前記触媒ペーストを前記電解質膜上に塗布することにより触媒ペースト付き電解質膜を作製する塗布ステップと、前記塗布ステップで作製された、前記触媒ペースト付き電解質膜を乾燥させて親水性酸化物含有の電極一体化電解質膜を作製するステップと、を備えたことを主要な特徴にしている。   Furthermore, the method for producing an electrode-integrated electrolyte membrane of the present invention includes a preparation step of preparing a mixed solution of alcohol, a metal oxide precursor sol, and an inorganic acid, and stirring the mixed solution to form a hydrophilic oxide. Preparing a gel dispersion solution, preparing a gel dispersion solution, preparing a Pt / C catalyst, water and alcohol, mixing these to prepare a catalyst mixture, preparing the catalyst mixture, the catalyst mixture, and A catalyst paste preparation step for preparing a catalyst paste in which a hydrophilic oxide gel is dispersed by mixing a gel dispersion solution and an ion exchange resin, and an electrolyte with a catalyst paste by applying the catalyst paste on the electrolyte membrane An application step for producing a membrane, and an electrode-integrated electrolyte membrane containing a hydrophilic oxide by drying the electrolyte membrane with catalyst paste produced in the application step The main feature is that it comprises a step of manufacturing.

これにより、触媒層中に均一に分散された親水性酸化物が、燃料電池の反応で生成した水をトラップし、さらにトラップした水により電解質膜を加湿するので、外部からの加湿がなくても触媒層および電解質膜を加湿することができ、これにより、イオン伝導性を良好にし、かつ触媒層の水分を調節できる電極一体化電解質膜を製造することができる。   As a result, the hydrophilic oxide uniformly dispersed in the catalyst layer traps the water generated by the reaction of the fuel cell, and further humidifies the electrolyte membrane with the trapped water, so there is no need for external humidification. The catalyst layer and the electrolyte membrane can be humidified, whereby an electrode-integrated electrolyte membrane that can improve ionic conductivity and adjust the moisture of the catalyst layer can be produced.

また、外部から高加湿なガスが供給された場合においては、親水性酸化物が、水分をトラップして加湿状態を調整するので、触媒層が過度に加湿され酸素拡散を阻害することを防ぐことができる電極一体化電解質膜を製造することができる。   In addition, when a highly humidified gas is supplied from the outside, the hydrophilic oxide traps moisture and adjusts the humidified state, thereby preventing the catalyst layer from being excessively humidified and inhibiting oxygen diffusion. An electrode-integrated electrolyte membrane that can be manufactured can be manufactured.

また、本発明のガス拡散電極の製造方法は、触媒ペーストをパルススワールスプレー法で塗布することを主要な特徴にしている。   The main feature of the method for producing a gas diffusion electrode of the present invention is that the catalyst paste is applied by a pulse swirl spray method.

更に、本発明の電極一体化電解質膜の製造方法は、触媒ペーストを電解質膜上にパルススワールスプレー法で塗布することを主要な特徴にしている。   Furthermore, the method for producing an electrode-integrated electrolyte membrane of the present invention is characterized in that a catalyst paste is applied onto the electrolyte membrane by a pulse swirl spray method.

イオン伝導性に優れ、かつ触媒層の水分調節機能に優れた固体形高分子形燃料電池及びガス拡散電極の製造方法を提供することができる。   It is possible to provide a method for producing a solid polymer fuel cell and a gas diffusion electrode that are excellent in ion conductivity and excellent in the moisture control function of the catalyst layer.

本発明に係る固体高分子形燃料電池の構成を示した概略図である。It is the schematic which showed the structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. ガス拡散電極の製造プロセスの一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing process of a gas diffusion electrode. パルススワールスプレー(PSS)法を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating a pulse swirl spray (PSS) method. 80℃かつ30%RHにおける分極曲線及びオーム抵抗を示す図である。It is a figure which shows the polarization curve and ohmic resistance in 80 degreeC and 30% RH. 80℃、30%RH及び20mV/secにおけるSiO2−MEA及びnormal-MEAのサイクリックボルタモグラムを示す図である。80 ° C., shows a cyclic voltammogram of SiO 2-MEA and normal-MEA in 30% RH and 20 mV / sec.

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。本明細書中で、数値範囲を“ 〜 ”を用いて表す場合は、“ 〜 ”で示される上限、下限の数値も数値範囲に含むものとする。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification, when the numerical range is expressed using “˜”, the upper and lower numerical values indicated by “˜” are also included in the numerical range.

<燃料電池の構成>
本発明に係る固体高分子形燃料電池の構成について図1を参照して説明する。図1は、本発明に係る水素イオン導電性電解質膜を用いた固体形高分子形燃料電池の構成を示した概略図である。図1に示すように、本発明の固体高分子形燃料電池は、一対のセパレータ10、20と、燃料極であるアノード30と、空気極であるカソード40と、電解質膜50とを備えて構成される。
<Configuration of fuel cell>
The structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a solid polymer fuel cell using a hydrogen ion conductive electrolyte membrane according to the present invention. As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a pair of separators 10 and 20, an anode 30 as a fuel electrode, a cathode 40 as an air electrode, and an electrolyte membrane 50. Is done.

電解質膜50は、アノード30とカソード40とに挟まれるように配置され、水素イオン(プロトン:H+)を透過させるNafion(登録商標)などのイオン交換樹脂で形成される。このように配置された、電解質膜50とアノード30とカソード40とによってMEA(Membrane Electrode Assembly)が構成される。一対のセパレータ10、20は、MEAを挟んで配置される。 The electrolyte membrane 50 is disposed so as to be sandwiched between the anode 30 and the cathode 40, and is formed of an ion exchange resin such as Nafion (registered trademark) that transmits hydrogen ions (proton: H + ). MEA (Membrane Electrode Assembly) is configured by the electrolyte membrane 50, the anode 30, and the cathode 40 arranged in this manner. The pair of separators 10 and 20 are arranged with the MEA interposed therebetween.

セパレータ10、20は、例えば、金属や黒鉛等で形成され、燃料や空気の流路となる溝が形成されている。アノード30は、例えば黒鉛繊維などの多孔質素材で形成されたガス拡散層60と、このガス拡散層60の表面に形成された触媒層70とで構成されている。触媒層70は、例えば白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等の金属触媒(一般的にはカーボンや他の導電性担体に担持されている)と親水性酸化物の前駆体とバインダーを混合することによって形成することができる。   The separators 10 and 20 are made of, for example, metal, graphite, or the like, and have grooves that serve as fuel or air flow paths. The anode 30 includes a gas diffusion layer 60 formed of a porous material such as graphite fiber and a catalyst layer 70 formed on the surface of the gas diffusion layer 60. The catalyst layer 70 comprises, for example, a metal catalyst such as platinum, gold, palladium, rhodium, iridium, ruthenium (generally supported on carbon or other conductive carrier), a precursor of a hydrophilic oxide, and a binder. It can be formed by mixing.

ここで、触媒層70に含まれるバインダーとして水素イオンなどを通すカチオン交換樹脂または水酸イオンなどを通すアニオン交換樹脂を用いる。バインダーが含まれると触媒層内で電池反応に関わるイオンの導電性を担うことに加え、触媒層の強度が高くし、かつ効率的に親水層を電解質膜50の表面に形成することが出来る。このバインダーが電解質膜50を構成する樹脂と同様の樹脂である場合は、バインダーと触媒と電解質膜50との密着性を高めることが出来るので特に好ましい。   Here, a cation exchange resin that passes hydrogen ions or an anion exchange resin that passes hydroxide ions or the like is used as a binder contained in the catalyst layer 70. When the binder is included, in addition to assuming the conductivity of ions related to the battery reaction in the catalyst layer, the strength of the catalyst layer can be increased and a hydrophilic layer can be efficiently formed on the surface of the electrolyte membrane 50. It is particularly preferable that the binder is a resin similar to the resin constituting the electrolyte membrane 50 because adhesion between the binder, the catalyst, and the electrolyte membrane 50 can be improved.

バインダーとして使用するイオン交換樹脂としては、例えば、デュポン製のNafion(登録商標)を使用することができる。親水性酸化物の原料としては、Si、TiやSnなどの金属化合物のゾル(金属アルコキシドをゾルにしたもの)が好適に用いられる。   As an ion exchange resin used as a binder, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont can be used. As a raw material for the hydrophilic oxide, a sol of a metal compound such as Si, Ti or Sn (metal alkoxide in sol) is preferably used.

カソード40もアノード30と同様に、例えば黒鉛繊維などの多孔質素材で形成されたガス拡散層80と、このガス拡散層80の表面に形成された触媒層90とで構成されている。触媒層90は、例えば、担持または無担持の白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等の金属触媒と親水性酸化物とバインダーとを混合することによって形成することができる。   Similarly to the anode 30, the cathode 40 includes a gas diffusion layer 80 formed of a porous material such as graphite fiber and a catalyst layer 90 formed on the surface of the gas diffusion layer 80. The catalyst layer 90 can be formed, for example, by mixing a supported or unsupported metal catalyst such as platinum, gold, palladium, rhodium, iridium, and ruthenium, a hydrophilic oxide, and a binder.

ここで、触媒層70と同様に、触媒層90には、イオン交換樹脂からなるバインダーが含まれている。バインダーが含まれると電池反応に関わるイオン導電性を担うことに加え、触媒層の強度が高くなり、かつ効率的に親水層を電解質膜50の表面に形成することが出来る。このバインダーが電解質膜50を構成する樹脂と同様の樹脂である場合は、バインダーと触媒と電解質膜50との密着性を高めることが出来るので特に好ましい。   Here, similarly to the catalyst layer 70, the catalyst layer 90 includes a binder made of an ion exchange resin. When the binder is included, in addition to assuming ion conductivity related to the battery reaction, the strength of the catalyst layer is increased, and a hydrophilic layer can be efficiently formed on the surface of the electrolyte membrane 50. It is particularly preferable that the binder is a resin similar to the resin constituting the electrolyte membrane 50 because adhesion between the binder, the catalyst, and the electrolyte membrane 50 can be improved.

バインダーとして使用するイオン交換樹脂としては、例えば、デュポン製のNafion(登録商標)を使用することができる。親水性酸化物の前駆体としては、SiやTiやSnなどの金属化合物のゾル(金属アルコキシドなど)が好適に用いられる。   As an ion exchange resin used as a binder, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont can be used. As the precursor of the hydrophilic oxide, a sol (metal alkoxide or the like) of a metal compound such as Si, Ti, or Sn is preferably used.

本発明に係る固体高分子形燃料電池は、アノード30の触媒層70、カソード40の触媒層90のうち、少なくともいずれかの触媒層に親水性酸化物を含有させたことを特徴としている。これにより、親水性酸化物は水保持能力が高いので、カソードにおいて酸素の還元反応により生成した水を逆拡散させて、触媒層70、90内のイオン交換樹脂の乾燥による特性低下を防止することが出来る。また、この水の逆拡散により、触媒層内の実質的な酸素分圧を高く保つことにより、高い性能を維持できる。   The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is characterized in that a hydrophilic oxide is contained in at least one of the catalyst layer 70 of the anode 30 and the catalyst layer 90 of the cathode 40. As a result, since the hydrophilic oxide has a high water retention capability, the water generated by the oxygen reduction reaction at the cathode is back-diffused to prevent deterioration of characteristics due to drying of the ion exchange resin in the catalyst layers 70 and 90. I can do it. Moreover, high performance can be maintained by keeping the substantial oxygen partial pressure in the catalyst layer high by the reverse diffusion of water.

以上説明したように、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、低湿度での起動性が優れたものであり、更に、低温での起動性も優れたものになる。   As described above, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention has excellent startability at low humidity and also has excellent startability at low temperature.

次に、本発明に係る燃料電池について、水素イオンが電池内の導電性を担う酸電解質形燃料電池と、水酸化物イオン等の負イオンが電池内の導電を担うアルカリ電解質膜形燃料電池とに分けて更に説明する。   Next, for the fuel cell according to the present invention, an acid electrolyte fuel cell in which hydrogen ions are responsible for conductivity in the cell, and an alkaline electrolyte membrane fuel cell in which negative ions such as hydroxide ions are responsible for conductivity in the cell; Further explanation will be given separately.

(1)酸電解質形燃料電池
本発明に係る固体高分子形燃料電池は、水素イオンを透過させる電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された、金属触媒で形成された一対の触媒層と、前記一対の触媒層を挟んで配置された、ガスを拡散させるための一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟んで配置された、ガスの流路が形成された一対のセパレータとを備え、前記一対の触媒層のうち少なくとも一方、好ましくは発電時に生成水を生じる触媒層に親水性酸化物を含んでいることを主要な特徴にしている。
(1) Acid electrolyte fuel cell A polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes an electrolyte membrane that allows hydrogen ions to permeate, and a pair of catalyst layers that are formed of a metal catalyst and sandwiched between the electrolyte membranes. A pair of gas diffusion layers for diffusing gas disposed between the pair of catalyst layers, and a pair of separators disposed between the pair of gas diffusion layers and having gas flow paths formed therebetween And at least one of the pair of catalyst layers, preferably a catalyst layer that generates water during power generation, includes a hydrophilic oxide.

これにより、触媒層中の親水性酸化物が、燃料電池の反応で生成した水をトラップし、トラップした水により電解質膜を加湿するので、外部からの加湿がなくても触媒層および電解質膜を加湿することができ、これにより、イオン伝導性を良好にし、かつ水の生成電極(ここではカソード)から電解質膜、さらには対極(ここではアノード)への水分移動を促進する作用によって、カソード触媒層内の実質的な酸素分圧を高めることが出来る。   As a result, the hydrophilic oxide in the catalyst layer traps the water generated by the reaction of the fuel cell and humidifies the electrolyte membrane with the trapped water, so that the catalyst layer and the electrolyte membrane can be removed without any external humidification. It can be humidified, thereby improving the ionic conductivity and promoting the water movement from the water-generating electrode (here cathode) to the electrolyte membrane and further to the counter electrode (here anode). The substantial oxygen partial pressure in the layer can be increased.

また、外部から高加湿なガスが供給された場合においては、親水性酸化物が、水分をトラップして加湿状態を調整するので、触媒層が過度に加湿されることを防ぐことができる。   In addition, when a highly humidified gas is supplied from the outside, the hydrophilic oxide traps moisture and adjusts the humidified state, so that the catalyst layer can be prevented from being excessively humidified.

(2)アルカリ電解質膜形燃料電池
他方、水酸化物イオン等の負イオンが電池内の導電を担うアルカリ電解質膜形燃料電池においては、水酸化物イオンを透過させる電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された、金属触媒で形成された一対の触媒層と、前記一対の触媒層を挟んで配置された、ガスを拡散させるための一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟んで配置された、ガスの流路が形成された一対のセパレータと、を備え、前記一対の触媒層のうち少なくとも一方、好ましくは発電時に生成水を生じる触媒層(アノード)には、親水性酸化物を含んでいることを主要な特徴にしている。
(2) Alkaline electrolyte membrane fuel cell On the other hand, in an alkaline electrolyte membrane fuel cell in which negative ions such as hydroxide ions are responsible for conduction in the cell, an electrolyte membrane that allows hydroxide ions to pass therethrough and the electrolyte membrane A pair of catalyst layers formed of a metal catalyst disposed between, a pair of gas diffusion layers for diffusing gas disposed between the pair of catalyst layers, and the pair of gas diffusion layers. And a pair of separators formed with gas flow paths interposed therebetween, and at least one of the pair of catalyst layers, preferably a catalyst layer (anode) that generates water during power generation, is hydrophilic. The main feature is the inclusion of oxides.

これにより、触媒層中の親水性酸化物が、燃料電池の反応で生成した水をトラップし、トラップした水により電解質膜を加湿するので、外部からの加湿がなくても触媒層および電解質膜を加湿することができ、これにより、イオン伝導性を良好にし、かつ水の生成電極(ここではアノード)から電解質膜、さらには対極(ここではカソード)への水分移動を促進する作用によって、アノード触媒層内の実質的な水素分圧を高めることが出来きるとともにカソード触媒層内の電解質の加湿によりイオン導電性を高めることができ、電池反応を加速することが可能となる。   As a result, the hydrophilic oxide in the catalyst layer traps the water generated by the reaction of the fuel cell and humidifies the electrolyte membrane with the trapped water, so that the catalyst layer and the electrolyte membrane can be removed without any external humidification. The anode catalyst can be humidified, thereby improving the ionic conductivity and promoting moisture movement from the water-generating electrode (here, the anode) to the electrolyte membrane and further to the counter electrode (here, the cathode). The substantial hydrogen partial pressure in the layer can be increased and the ionic conductivity can be increased by humidifying the electrolyte in the cathode catalyst layer, thereby accelerating the cell reaction.

また、外部から高加湿なガスが供給された場合においても、親水性酸化物が、水分をトラップして加湿状態を調整するので、触媒層が過度に加湿されて水素拡散を阻害することを防ぐことができる。   Further, even when highly humidified gas is supplied from the outside, the hydrophilic oxide traps moisture and adjusts the humidified state, thereby preventing the catalyst layer from being excessively humidified and inhibiting hydrogen diffusion. be able to.

また、本発明の固体高分子形燃料電池は、前記親水性酸化物が、SiO2、TiO2やSnO2などであることを主要な特徴にしている。 The main feature of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is that the hydrophilic oxide is SiO 2 , TiO 2 , SnO 2 or the like.

更に、本発明のガス拡散電極の触媒層製造方法は、アルコール、酸化物前駆体たとえばTEOS(テトラエトキシシラン)及び無機酸(硝酸、塩酸など)のゾル混合液を準備するステップと、前記ゾル混合液を撹拌して親水性酸化物ゲルの分散溶液を作製するゲル分散溶液作製ステップと、Pt/C触媒と水とアルコールを準備し、これらを混合して触媒混合液を作製する触媒混合液作製ステップと、前記触媒混合液と、前記ゲル分散溶液と、イオン交換樹脂とをボールミル等で攪拌混合することにより触媒ペーストを作製する触媒ペースト作製ステップと、前記触媒ペーストを前記ガス拡散層上に塗布する塗布ステップと、前記塗布ステップで作製された触媒ペースト付きガス拡散層を真空下等で乾燥・ゲルの脱水縮合を促進させて触媒層内に親水性酸化物が均一に分散されたガス拡散電極を作製するステップとを備えたことを主要な特徴にしている。   Furthermore, the method for producing a catalyst layer for a gas diffusion electrode according to the present invention comprises a step of preparing a sol mixed solution of alcohol, an oxide precursor such as TEOS (tetraethoxysilane) and an inorganic acid (nitric acid, hydrochloric acid, etc.), and the sol mixing Prepare the gel dispersion solution step to prepare the dispersion solution of hydrophilic oxide gel by stirring the solution, and prepare the catalyst mixture solution by preparing Pt / C catalyst, water and alcohol, and mixing them to prepare the catalyst mixture solution A catalyst paste preparing step of preparing a catalyst paste by stirring and mixing the catalyst mixed solution, the gel dispersion solution, and an ion exchange resin with a ball mill or the like, and applying the catalyst paste onto the gas diffusion layer The coating step and the gas diffusion layer with the catalyst paste prepared in the coating step is dried under vacuum, etc., and promotes dehydration condensation of the gel to make the catalyst layer hydrophilic Further comprising a step of preparing a gas diffusion electrode product is uniformly dispersed is the main feature.

かくして、触媒層中に均一に分散された親水性酸化物が、燃料電池の反応で生成した水をトラップし、さらにトラップした水により電解質膜を加湿するので、外部からの加湿がなくても触媒層および電解質膜を加湿することができ、これにより、イオン伝導性を良好にし、かつ触媒層の水分を調節できるガス拡散電極を製造することができる。   Thus, the hydrophilic oxide uniformly dispersed in the catalyst layer traps the water generated by the reaction of the fuel cell, and further humidifies the electrolyte membrane with the trapped water, so that the catalyst can be obtained without any external humidification. The layer and the electrolyte membrane can be humidified, whereby a gas diffusion electrode that can improve the ionic conductivity and adjust the moisture of the catalyst layer can be manufactured.

また、外部から高加湿なガスが供給された場合においては、親水性酸化物が、水分をトラップして加湿状態を調整するので、触媒層が過度に加湿され酸素拡散を阻害することを防ぐことができるガス拡散電極を製造することができる。   In addition, when a highly humidified gas is supplied from the outside, the hydrophilic oxide traps moisture and adjusts the humidified state, thereby preventing the catalyst layer from being excessively humidified and inhibiting oxygen diffusion. It is possible to manufacture a gas diffusion electrode that can be used.

<作動>
次に、本発明に係る固体高分子形燃料電池の作動について酸型電解質膜を用いた例について、図1を参照して説明する。水素ガスがアノード30に供給されると、水素はガス拡散層60で拡散し、触媒層70でイオン化されて水素イオンH+になり、このときに水素から離れた電子は、外部回路を通ってカソードに移動する。
<Operation>
Next, an example of using an acid electrolyte membrane for the operation of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. When hydrogen gas is supplied to the anode 30, the hydrogen diffuses in the gas diffusion layer 60 and is ionized in the catalyst layer 70 to become hydrogen ions H + . At this time, electrons separated from the hydrogen pass through an external circuit. Move to the cathode.

水素イオンは、電解質膜50を通ってカソード40の触媒層90に移動する。カソード40では、供給された酸素が、ガス拡散層80で拡散し、触媒層90に移動する。この触媒層90では、水素イオンと、酸素と、外部回路を通って移動してきた電子とが、触媒層90の触媒の働きによって反応し、水を発生させる。   The hydrogen ions move to the catalyst layer 90 of the cathode 40 through the electrolyte membrane 50. At the cathode 40, the supplied oxygen diffuses in the gas diffusion layer 80 and moves to the catalyst layer 90. In the catalyst layer 90, hydrogen ions, oxygen, and electrons that have moved through the external circuit react with each other by the action of the catalyst of the catalyst layer 90 to generate water.

この時、発生した水は、触媒層90に含まれる親水性酸化物によって保水され、保水された水は触媒層90に含まれるバインダーであるイオン交換樹脂と、電解質膜50とを加湿する。   At this time, the generated water is retained by the hydrophilic oxide contained in the catalyst layer 90, and the retained water humidifies the ion exchange resin as a binder contained in the catalyst layer 90 and the electrolyte membrane 50.

ここで、本発明においては、アノード30の触媒層70と、カソード40の触媒層90とのうち少なくともいずれかに親水性酸化物が含まれている。アノード30の触媒層70に親水性酸化物が含まれている場合は、カソード40で発生した水は逆拡散によりアノード30の触媒層70に移動し、触媒層70に含まれる親水性酸化物によって保水され、保水された水は触媒層70に含まれるバインダーであるイオン交換樹脂と、電解質膜50とを加湿する。   Here, in the present invention, at least one of the catalyst layer 70 of the anode 30 and the catalyst layer 90 of the cathode 40 contains a hydrophilic oxide. When a hydrophilic oxide is contained in the catalyst layer 70 of the anode 30, the water generated at the cathode 40 moves to the catalyst layer 70 of the anode 30 by back diffusion, and the hydrophilic oxide contained in the catalyst layer 70 The water retained and the retained water humidifies the ion exchange resin as a binder contained in the catalyst layer 70 and the electrolyte membrane 50.

また、触媒層70と触媒層90の両方に親水性酸化物が含まれている場合は、上述した、触媒層70に親水性酸化物が含まれているときの効果と、触媒層90に親水性酸化物が含まれているときの効果の両方を奏することになる。   Further, when both the catalyst layer 70 and the catalyst layer 90 include a hydrophilic oxide, the above-described effect when the catalyst layer 70 includes a hydrophilic oxide and the catalyst layer 90 are hydrophilic. Both of the effects when the conductive oxide is contained are exhibited.

これにより、燃料電池の作動中において触媒層内のイオン交換樹脂の乾燥による特性低下を防止して触媒層内の反応サイトを有効に利用できる。特に、カソードに供給されるガスが低加湿または無加湿である場合の運転においても出力電圧の低下が起こりにくく、高い電池出力を起動初期から長期間にわたり安定して得ることができる。   Thereby, it is possible to effectively use the reaction site in the catalyst layer by preventing the characteristic deterioration due to drying of the ion exchange resin in the catalyst layer during the operation of the fuel cell. In particular, even when the gas supplied to the cathode is low-humidified or non-humidified, the output voltage is unlikely to decrease, and a high battery output can be stably obtained over a long period from the start.

更に、親水性酸化物を触媒層内に含ませることにより、外部からの加湿量を低減することができ、無加湿運転も可能になる。また、逆に、外部から多量に加湿されても、親水性酸化物の保水力により、外部からの水分を親水性酸化物がトラップするので、外部から多量に加湿することによる固体高分子形燃料電池の特性低下を抑制することができる。   Further, by including a hydrophilic oxide in the catalyst layer, the amount of humidification from the outside can be reduced, and a non-humidifying operation can be performed. Conversely, even when a large amount of moisture is externally humidified, the hydrophilic oxide traps moisture from the outside due to the water retention capacity of the hydrophilic oxide. Battery characteristic deterioration can be suppressed.

アルカリ型電解質膜を使った燃料電池においては、電池反応においてアノードで水が生成する。この場合においても本発明効果は同様にして得られる。   In a fuel cell using an alkaline electrolyte membrane, water is generated at the anode in the cell reaction. Even in this case, the effects of the present invention can be obtained in the same manner.

<ガス拡散電極の製造方法>
次に、本発明に係る固体高分子形燃料電池のガス拡散電極の製造方法の一例について図面を参照して説明する。ここで、ガス拡散電極とは、図1におけるアノードとカソードのことを言う。
<Method for producing gas diffusion electrode>
Next, an example of a method for producing a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the gas diffusion electrodes refer to the anode and the cathode in FIG.

図2は、ガス拡散電極の製造プロセスの一例を示すフロー図である。図2に示すように、先ず、エタノール、TEOS(テトラエトキシシラン)及び硝酸の混合液を準備し(S1)、次にこの混合液を撹拌して親水性酸化物であるSiO2のゾル溶液を作製する(S2)。 FIG. 2 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of the gas diffusion electrode. As shown in FIG. 2, first, a mixed solution of ethanol, TEOS (tetraethoxysilane) and nitric acid is prepared (S1), and then this mixed solution is stirred to prepare a sol solution of SiO 2 which is a hydrophilic oxide. Prepare (S2).

Pt/C触媒と水とエタノールを準備し、これらをボールミル混合して混合液を作製する(S3)。次に、S3で作製した混合液と、S2で作成したゾル溶液と、Nafion(登録商標)溶液とを混ぜて(S4)、ボールミル混合することによりSiO2ゲル含有触媒ペーストを作製する(S5)。 A Pt / C catalyst, water, and ethanol are prepared, and these are mixed in a ball mill to prepare a mixed solution (S3). Next, the mixed solution prepared in S3, the sol solution prepared in S2 and the Nafion (registered trademark) solution are mixed (S4) and ball mill mixed to prepare a SiO 2 gel-containing catalyst paste (S5). .

S5で作製した触媒ペーストをガス拡散層(GDL)上に塗布する(S6)。S6における塗布は、パルススワールスプレー法(PSS法)で塗布することが好ましい。PSS法について図3を参照して説明する。図3は、PSS法を説明するための説明図である。図3に示すように、PSS法とは、塗布すべき混合溶液、電極触媒、バインダー、親水性酸化物ゾル、溶媒などを含む懸濁液をスプレーガンに導き、高圧空気でパルス状にスプレーしつつ、噴霧された液滴を竜巻型(スワール)に流す方法であり、これにより、塗布すべき基板に懸濁液が到達した時には、懸濁液はほぼ乾燥状態となる。この竜巻型の噴霧により、基板外への飛散を防いで歩留まりが高くなってコストを削減することが出来る。また、パルス状にすることでスプレーガンの詰まりを防ぐことが出来る。   The catalyst paste prepared in S5 is applied on the gas diffusion layer (GDL) (S6). The application in S6 is preferably performed by a pulse swirl spray method (PSS method). The PSS method will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the PSS method. As shown in FIG. 3, the PSS method refers to a suspension containing a mixed solution to be applied, an electrocatalyst, a binder, a hydrophilic oxide sol, a solvent, and the like, and is sprayed in a pulsed manner with high-pressure air. On the other hand, it is a method of flowing the sprayed droplets in a tornado type (swirl), and when the suspension reaches the substrate to be coated, the suspension becomes almost dry. This tornado-type spray prevents scattering out of the substrate, increases the yield, and reduces the cost. Moreover, clogging of the spray gun can be prevented by making it pulsed.

次に、S6で作製した触媒ペースト付きガス拡散層を真空乾燥させて、触媒ペーストから触媒層を形成することによりガス拡散電極を作製する(S7、S8)。この過程で触媒中に均一分散しているSiO2ゲルの脱水縮合が促進され、不溶性の親水性シリカのネットワークが形成される。 Next, the gas diffusion electrode with the catalyst paste prepared in S6 is vacuum-dried to form a catalyst layer from the catalyst paste, thereby manufacturing a gas diffusion electrode (S7, S8). In this process, the dehydration condensation of the SiO 2 gel uniformly dispersed in the catalyst is promoted, and an insoluble hydrophilic silica network is formed.

本製造方法において製造されたガス拡散電極は、酸型電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池のみならずその他の燃料電池にも使用可能であり、特に、本製造方法で製造された触媒層はあらゆる電池用の電極触媒として幅広い用途に適用可能である。   The gas diffusion electrode produced in this production method can be used not only for a solid polymer fuel cell using an acid electrolyte membrane but also for other fuel cells. In particular, the catalyst layer produced by this production method Is applicable to a wide range of uses as an electrode catalyst for any battery.

上記のように、触媒層をガス拡散層上に直接に塗布するかわりに、電解質膜上に塗布した後、ガス拡散層と一体化しガス散電極とすることもできる。また、塗布方法は、前述のパルススワールスプレー方に限定されず、通常のスプレー法、プリント法、転写法、濾過法なども適用することが出来る。   As described above, instead of directly applying the catalyst layer on the gas diffusion layer, the catalyst layer may be applied on the electrolyte membrane and then integrated with the gas diffusion layer to form a gas diffusion electrode. The application method is not limited to the above-described pulse swirl spray method, and a normal spray method, printing method, transfer method, filtration method, and the like can also be applied.

<評価>
(1)I-V特性評価
白金触媒上へのバインダーの被覆状体を均一に保つために、炭素担体とSiO2の総体積に対するNafion(登録商標)の体積比VNafion/(Vc+VSiO2)を一定(0.77)にし、炭素に対するSiO2の体積比VSiO2 / Vcを変化させた。その結果、高加湿条件においてはセル特性は、VSiO2 / Vcの組成にほとんど依存しなかったが、低加湿時の特性は、両方のガス拡散電極(GDE)にVSiO2 / Vc= 0.39組成の電極で最も高くなった。
<Evaluation>
(1) IV characteristics evaluation In order to keep the coating of the binder on the platinum catalyst uniform, the volume ratio of Nafion (registered trademark) to the total volume of the carbon support and SiO 2 V Nafion / (V c + V SiO 2 ) to, changing the volume ratio V SiO2 / V c of SiO 2 to carbon constant (0.77). As a result, under high humidification conditions, the cell characteristics hardly depended on the composition of V SiO2 / V c , but the characteristics at low humidification were V SiO2 / V c = 0.39 for both gas diffusion electrodes (GDE). It was the highest for the composition electrode.

このGDEを用いたSiO2−MEAと、SiO2を含んでいないnormal-MEAのセル温度80℃、両極30%RHにおける分極曲線及びオーム抵抗を調べたところ、図4のようになった。図4は、80℃かつ30%RHにおける分極曲線及びオーム抵抗を示す図である。図4に示すように、SiO2−MEAはnormal-MEAよりもI-V特性が著しく向上したことが分かる。 When the polarization curve and ohmic resistance of the SiO 2 -MEA using GDE and the normal-MEA not containing SiO 2 at a cell temperature of 80 ° C. and 30% RH of both electrodes were examined, it was as shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing a polarization curve and ohmic resistance at 80 ° C. and 30% RH. As shown in FIG. 4, it can be seen that SiO 2 -MEA has significantly improved IV characteristics as compared with normal-MEA.

(2)白金触媒の利用率評価
白金触媒の利用率を調べるため、同一セル温度と相対湿度(RH)におけるカソードのサイクリックボルタモグラム(CV)を測定したところ、図5に示す結果を得た。図5は、80℃、30%RH及び20mV/secにおけるSiO2−MEA及びnormal-MEAのサイクリックボルタモグラムを示す図である。
(2) Evaluation of utilization rate of platinum catalyst In order to examine the utilization rate of the platinum catalyst, the cyclic voltammogram (CV) of the cathode at the same cell temperature and relative humidity (RH) was measured, and the result shown in FIG. 5 was obtained. FIG. 5 is a view showing cyclic voltammograms of SiO 2 -MEA and normal-MEA at 80 ° C., 30% RH and 20 mV / sec.

図5より、SiO2−MEAはnormal-MEAよりも水素吸着脱離電気量が大きく触媒利用率が向上していることが分かる。これは、SiO2によって触媒層内の含水率が高く保たれているためであると考えられる。また、SiO2−MEAでは白金の酸化還元波が著しく大きくなっており、低加湿条件においては、白金表面の水分子の減少に伴ってアニオン種[Nafion(登録商標)中のスルホン酸]の特異吸着が生じて酸素還元活性が低下することが分かった。SiO2によって吸着された水はそのような特異吸着も抑制する効果があると考えられる。これらのことから、触媒層へのSiO2の添加により、固体高分子形燃料電池の低加湿運転特性を著しく向上できることが分かる。 From FIG. 5, it can be seen that SiO 2 -MEA has a larger amount of hydrogen adsorption / desorption electricity than normal-MEA and the catalyst utilization rate is improved. This is presumably because the moisture content in the catalyst layer is kept high by SiO 2 . In SiO 2 -MEA, the oxidation-reduction wave of platinum is remarkably large, and under low humidification conditions, the anion species [sulfonic acid in Nafion (registered trademark)] is unique with the decrease of water molecules on the platinum surface. It was found that adsorption occurs and oxygen reduction activity decreases. It is considered that the water adsorbed by SiO 2 has an effect of suppressing such specific adsorption. From these, it can be seen that the addition of SiO 2 to the catalyst layer can significantly improve the low humidification operation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell.

10…セパレータ、20…セパレータ、30…アノード、40…カソード、50…電解質膜、60…ガス拡散層、70…触媒層、80…ガス拡散層、90…触媒層、300…スプレーガン、310…プレート、320…GDL DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Separator, 20 ... Separator, 30 ... Anode, 40 ... Cathode, 50 ... Electrolyte membrane, 60 ... Gas diffusion layer, 70 ... Catalyst layer, 80 ... Gas diffusion layer, 90 ... Catalyst layer, 300 ... Spray gun, 310 ... Plate, 320 ... GDL

Claims (6)

カチオンまたはアニオンを透過させる電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで配置された、カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂をバインダーとして担持または無担持金属触媒で形成された一対の触媒層と、
前記一対の触媒層を挟んで配置された、ガスを拡散させるための一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層を挟んで配置された、ガスの流路が形成された一対のセパレータと、を備え、
前記一対の触媒層のうち少なくとも一方は、親水性酸化物を含んでいる固体高分子形燃料電池。
An electrolyte membrane that is permeable to cations or anions;
A pair of catalyst layers formed of a supported or unsupported metal catalyst with a cation exchange resin or anion exchange resin as a binder disposed between the electrolyte membranes;
A pair of gas diffusion layers arranged to sandwich the pair of catalyst layers for diffusing gas;
A pair of separators disposed between the pair of gas diffusion layers and having gas flow paths formed thereon,
At least one of the pair of catalyst layers is a solid polymer fuel cell containing a hydrophilic oxide.
前記親水性酸化物が、酸化物ゾルから調製されたものである請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilic oxide is prepared from an oxide sol. ガス拡散層と触媒層とで構成されたガス拡散電極の製造方法であって、
アルコール、金属酸化物前駆体ゾル、および無機酸の混合液を準備する準備ステップと、
前記混合液を撹拌して親水性酸化物のゲル分散溶液を作製するゲル分散溶液作製ステップと、
Pt/C触媒と水とアルコールを準備し、これらを混合して触媒混合液を作製する触媒混合液作製ステップと、
前記触媒混合液と、前記ゲル分散溶液と、イオン交換樹脂とを混合することにより親水性酸化物ゲルが分散した触媒ペーストを作製する触媒ペースト作製ステップと、
前記触媒ペーストを前記ガス拡散層上または前記電解質膜上に塗布することにより触媒ペースト付きガス拡散層を作製する塗布ステップと、
前記塗布ステップで作製された、前記触媒ペースト付きガス拡散層を乾燥させて親水性酸化物含有のガス拡散電極を作製するステップと、
を備えたガス拡散電極の製造方法。
A method for producing a gas diffusion electrode comprising a gas diffusion layer and a catalyst layer,
Preparing a mixture of alcohol, metal oxide precursor sol, and inorganic acid;
A gel dispersion solution preparation step of stirring the mixed solution to prepare a gel dispersion solution of a hydrophilic oxide;
A catalyst mixture preparation step of preparing a Pt / C catalyst, water and alcohol, and mixing them to prepare a catalyst mixture;
A catalyst paste preparation step of preparing a catalyst paste in which a hydrophilic oxide gel is dispersed by mixing the catalyst mixture, the gel dispersion solution, and an ion exchange resin;
An application step of producing a gas diffusion layer with a catalyst paste by applying the catalyst paste onto the gas diffusion layer or the electrolyte membrane;
Producing a hydrophilic oxide-containing gas diffusion electrode by drying the gas diffusion layer with catalyst paste produced in the coating step;
A method of manufacturing a gas diffusion electrode comprising:
燃料電池に用いられる電極一体化電解質膜の製造方法であって、
アルコール、金属酸化物前駆体ゾル、および無機酸の混合液を準備する準備ステップと、
前記混合液を撹拌して親水性酸化物のゲル分散溶液を作製するゲル分散溶液作製ステップと、
Pt/C触媒と水とアルコールを準備し、これらを混合して触媒混合液を作製する触媒混合液作製ステップと、
前記触媒混合液と、前記ゲル分散溶液と、イオン交換樹脂とを混合することにより親水性酸化物ゲルが分散した触媒ペーストを作製する触媒ペースト作製ステップと、
前記触媒ペーストを前記電解質膜上に塗布することにより触媒ペースト付き電解質膜を作製する塗布ステップと、
前記塗布ステップで作製された、前記触媒ペースト付き電解質膜を乾燥させて親水性酸化物含有の電極一体化電解質膜を作製するステップと、
を備えた電極一体化電解質膜の製造方法。
A method for producing an electrode-integrated electrolyte membrane used in a fuel cell,
Preparing a mixture of alcohol, metal oxide precursor sol, and inorganic acid;
A gel dispersion solution preparation step of stirring the mixed solution to prepare a gel dispersion solution of a hydrophilic oxide;
A catalyst mixture preparation step of preparing a Pt / C catalyst, water and alcohol, and mixing them to prepare a catalyst mixture;
A catalyst paste preparation step of preparing a catalyst paste in which a hydrophilic oxide gel is dispersed by mixing the catalyst mixture, the gel dispersion solution, and an ion exchange resin;
An application step of producing an electrolyte membrane with a catalyst paste by applying the catalyst paste onto the electrolyte membrane;
Drying the electrolyte membrane with the catalyst paste produced in the application step to produce an electrode-integrated electrolyte membrane containing a hydrophilic oxide; and
A method for producing an electrode-integrated electrolyte membrane comprising:
前記塗布ステップにおいて、触媒ペーストをパルススワールスプレー法で塗布する請求項3に記載のガス拡散電極の製造方法。   The method of manufacturing a gas diffusion electrode according to claim 3, wherein in the applying step, the catalyst paste is applied by a pulse swirl spray method. 前記塗布ステップにおいて、触媒ペーストを電解質膜上にパルススワールスプレー法で塗布する請求項4に記載の電極一体化電解質膜の製造方法。   The method for producing an electrode-integrated electrolyte membrane according to claim 4, wherein in the applying step, the catalyst paste is applied onto the electrolyte membrane by a pulse swirl spray method.
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