JP2002203569A - Solid high polymer type fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関し、さらに詳しくは、可搬型の小型電源、車載
用動力源、コジェネレーションシステム等として好適な
固体高分子型燃料電池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell suitable as a small portable power source, a vehicle power source, a cogeneration system, and the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、電解質として
固体高分子電解質膜を用いた燃料電池である。固体高分
子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質としては、
ナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表される非
架橋のパーフルオロ系電解質や種々の炭化水素系電解質
が知られているが、これらは、いずれもイオン導電性を
発現するには水を必要とする。そのため、燃料電池の運
転条件がドライ条件になると、固体高分子電解質膜の含
水率が低下し、イオン伝導率が低下する、いわゆるドラ
イアップが発生し、燃料電池の出力を低下させる原因と
なる。2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte. Solid polymer electrolytes used in polymer electrolyte fuel cells include:
Non-crosslinked perfluoro-based electrolytes and various hydrocarbon-based electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) are known, but all of them require water to exhibit ionic conductivity. And Therefore, when the operating condition of the fuel cell becomes a dry condition, the water content of the solid polymer electrolyte membrane decreases and the ionic conductivity decreases, so-called dry-up occurs, which causes a decrease in the output of the fuel cell.
【0003】従来の固体高分子型燃料電池においては、
この問題を解決するために、補機を用いて外部から電解
質膜に水分を補給する方法を用いるのが一般的である。
電解質膜に水分を補給する方法としては、具体的には、
バブラ、ミスト発生器等を用いて反応ガスを加湿する方
法、セパレータ内部に形成された反応ガス流路に直接水
分を注入する方法等が知られている。In a conventional polymer electrolyte fuel cell,
In order to solve this problem, it is common to use a method of externally supplying water to the electrolyte membrane using an auxiliary machine.
As a method of supplying water to the electrolyte membrane, specifically,
There are known a method of humidifying a reaction gas using a bubbler, a mist generator, and the like, a method of directly injecting moisture into a reaction gas flow path formed inside a separator, and the like.
【0004】また、固体高分子型燃料電池は、一般に、
固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を接合して膜電
極接合体とし、その両側をセパレータで挟んだ構造を取
る。電池反応を進行させるためには、電解質、触媒及び
反応ガスの三相が共存する三相界面を電極内に確保する
必要があるので、電極は、一般に、触媒及び電解質を含
む多孔質構造になっている。A polymer electrolyte fuel cell is generally
A structure in which a pair of electrodes are joined to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly, and both sides thereof are sandwiched between separators. In order for the battery reaction to proceed, it is necessary to ensure a three-phase interface in which the three phases of the electrolyte, the catalyst, and the reaction gas coexist in the electrode. Therefore, the electrode generally has a porous structure including the catalyst and the electrolyte. ing.
【0005】一方、固体高分子型燃料電池の場合、カソ
ードにおいて、電池反応により水が生成する。また、プ
ロトンがアノード側からカソード側に移動する際に、電
気浸透により水もカソード側に移動する。そのため、燃
料電池の運転条件がウエット条件になると、特にカソー
ドにおいて過剰の水が滞留しやすくなる。この水を放置
すると、電極内の細孔が水で閉塞し、反応ガスの供給が
阻害される、いわゆるフラッディングが発生し、燃料電
池の出力を低下させる原因となる。On the other hand, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, water is generated at the cathode by a cell reaction. When protons move from the anode side to the cathode side, water also moves to the cathode side by electroosmosis. Therefore, when the operating condition of the fuel cell is a wet condition, excess water tends to stay, particularly at the cathode. If this water is left, pores in the electrodes are closed with water, so that the supply of the reaction gas is obstructed, that is, so-called flooding occurs, which causes a decrease in the output of the fuel cell.
【0006】従来の固体高分子型燃料電池においては、
この問題を解決するために、電極構造を最適化する方法
を用いるのが一般的である。例えば、三相界面を増大さ
せるために、電極を、拡散層と、固体高分子電解質膜と
接する面に設けられた触媒層の二層構造とする方法が知
られている。拡散層は、触媒層への反応ガスの供給及び
電子の授受を行うための層であり、一般に、多孔質かつ
電子伝導性を有する材料が用いられる。また、触媒層
は、電池反応の反応場となる層であり、一般に、触媒又
は担体に担持させた触媒と、固体高分子電解質膜と同一
成分を有する電解質(触媒層内電解質)からなってい
る。In a conventional polymer electrolyte fuel cell,
In order to solve this problem, it is general to use a method of optimizing the electrode structure. For example, there is known a method in which an electrode has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer provided on a surface in contact with a solid polymer electrolyte membrane in order to increase a three-phase interface. The diffusion layer is a layer for supplying a reaction gas to the catalyst layer and transferring electrons, and is generally made of a porous and electron conductive material. The catalyst layer is a layer that serves as a reaction field of a battery reaction, and generally includes a catalyst supported on a catalyst or a carrier and an electrolyte having the same components as the solid polymer electrolyte membrane (electrolyte in the catalyst layer). .
【0007】また、例えば、特開平5−36418号公
報には、電極に対して反応サイトを増大させるために、
表面が固体高分子電解質で被覆された触媒担持カーボン
をフッ素系樹脂で結着させた多孔質電極が開示されてい
る。For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-36418 discloses that in order to increase the number of reaction sites with respect to the electrodes,
A porous electrode is disclosed in which a catalyst-supporting carbon whose surface is coated with a solid polymer electrolyte is bound with a fluororesin.
【0008】さらに、特開平9−320611号公報に
は、多孔質電極に対して均一に撥水性を付与するため
に、白金触媒を担持したカーボンブラック、フッ素系イ
オン交換樹脂及びイオン交換基を有しない溶媒可溶性フ
ッ素重合体の混合液を固体高分子電解質膜に塗布して得
られる固体高分子型燃料電池用電極が開示されている。
また、同公報には、白金触媒を担持したカーボンブラッ
クとポリテトラフルオロエチレンの混合物を混練・延伸
することにより多孔質フィルムとし、これにフッ素系イ
オン交換樹脂及びイオン交換基を有しない溶媒可溶性フ
ッ素重合体を含浸させて得られる固体高分子型燃料電池
用電極が開示されている。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-320611 discloses carbon black carrying a platinum catalyst, a fluorine-based ion-exchange resin and an ion-exchange group in order to uniformly impart water repellency to a porous electrode. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell obtained by applying a mixed solution of a solvent-soluble fluoropolymer which is not used to a polymer electrolyte membrane is disclosed.
In addition, the same publication discloses that a porous film is obtained by kneading and stretching a mixture of carbon black carrying a platinum catalyst and polytetrafluoroethylene, and a fluorine-based ion exchange resin and a solvent-soluble fluorine having no ion exchange group. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell obtained by impregnating a polymer is disclosed.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】補機を用いて電解質を
加湿するためには、加湿用の水を貯蔵するための水タン
ク、加湿器、燃料電池から排出される水を回収するため
の凝縮器等、様々なコンポーネントが必要となる。その
ため、燃料電池システム全体が複雑かつ大型化するとい
う問題がある。また、補機を用いた電解質の加湿は、余
分な補機動力が必要となり、燃料電池の発電効率を低下
させる原因にもなる。In order to humidify the electrolyte using the auxiliary equipment, a water tank for storing water for humidification, a humidifier, and a condenser for collecting water discharged from the fuel cell are required. Various components such as vessels are required. Therefore, there is a problem that the entire fuel cell system becomes complicated and large. Further, humidification of the electrolyte using the auxiliary equipment requires extra auxiliary power, which may cause a reduction in the power generation efficiency of the fuel cell.
【0010】一方、固体高分子型燃料電池の場合、上述
したように、カソード側において電池反応により水が生
成する。この生成水を電解質の加湿に直接利用すること
ができれば、補機による電解質の加湿を軽減又は不要化
することができ、燃料電池システム全体の小型化、軽量
化及び高効率化が期待できる。On the other hand, in the case of the polymer electrolyte fuel cell, as described above, water is generated by the cell reaction on the cathode side. If this generated water can be directly used for humidifying the electrolyte, the humidification of the electrolyte by the auxiliary equipment can be reduced or made unnecessary, and a reduction in the size, weight, and efficiency of the entire fuel cell system can be expected.
【0011】しかしながら、固体高分子型燃料電池に用
いられる従来の電極は、フラッディングによる出力低下
を抑制するために、電極の細孔内表面に撥水処理を施す
等、電極内に滞留する水を排出しやすくしたものが一般
的であり、生成水の有効利用に適した構造にはなってい
ない。However, the conventional electrode used in the polymer electrolyte fuel cell has a problem in that water remaining in the electrode is reduced by, for example, performing a water-repellent treatment on the inner surface of the pores of the electrode in order to suppress a decrease in output due to flooding. Generally, it is easy to discharge water, and the structure is not suitable for effective use of generated water.
【0012】例えば、特開平9−320611号公報に
開示される固体高分子型燃料電池用電極は、電極の細孔
内表面の少なくとも一部をイオン交換基を有しない溶媒
可溶性含フッ素重合体で被覆し、撥水性を付与すること
を狙っている。しかしながら、開示されている方法を用
いて、気相側表面に露出しているイオン交換基のすべて
を溶媒可溶性含フッ素重合体で薄く均一に被覆すること
は困難である。そのため、電池反応による生成水の大部
分は、細孔内部から電極外に排出され、電解質の加湿に
有効利用されることはなく、安定して作動させるために
は、補機による加湿が不可欠となっている。For example, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-320611 discloses a solvent-soluble fluorine-containing polymer having no ion-exchange group at least a part of the inner surface of the pores of the electrode. It aims at coating and imparting water repellency. However, it is difficult to coat all the ion-exchange groups exposed on the gas phase side surface with a solvent-soluble fluoropolymer thinly and uniformly by using the disclosed method. Therefore, most of the water generated by the battery reaction is discharged from the inside of the pores to the outside of the electrode, and is not effectively used for humidification of the electrolyte. Has become.
【0013】本発明が解決しようとする課題は、補機に
よる電解質の加湿を軽減又は不要化し、無加湿条件下に
おいても高い出力が安定して得られる固体高分子型燃料
電池を提供することにある。An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of reducing or eliminating humidification of an electrolyte by an auxiliary machine and stably providing a high output even under non-humidified conditions. is there.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合さ
れた膜電極接合体を備えた固体高分子型燃料電池におい
て、前記電極の少なくとも一方は、触媒又は担体に担持
された触媒と触媒層内電解質とを含む触媒層を備え、前
記触媒層内電解質の気相側表面が反応ガス透過性を有す
る撥水層で被覆されていることを要旨とするものであ
る。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell having a membrane / electrode assembly having electrodes joined to both sides of a polymer electrolyte membrane. At least one comprises a catalyst layer comprising a catalyst or a catalyst supported on a carrier and an electrolyte in the catalyst layer, and the gas phase side surface of the electrolyte in the catalyst layer is covered with a water-repellent layer having a reaction gas permeability. The point is that
【0015】触媒層内電解質の気相側表面を反応ガス透
過性を有する撥水層で被覆すると、触媒層への反応ガス
の拡散を阻害することなく、触媒層から拡散層側への水
の排出が抑制される。その結果、電池反応による生成水
の一部は、触媒層内部に滞留する。また、触媒層内部に
滞留した水分は、拡散によって固体高分子電解質膜まで
戻され、固体高分子電解質膜の加湿に再利用される。そ
のため、低加湿あるいは無加湿条件下においても、固体
高分子電解質膜の含水率を安定作動に必要な水準に維持
することができ、高い出力が安定して得られる。When the gas-phase surface of the electrolyte in the catalyst layer is covered with a water-repellent layer having a reaction gas permeability, the diffusion of the reaction gas into the catalyst layer is not hindered and the water from the catalyst layer to the diffusion layer side is not hindered. Emissions are suppressed. As a result, part of the water generated by the battery reaction stays inside the catalyst layer. Further, the water retained inside the catalyst layer is returned to the solid polymer electrolyte membrane by diffusion, and is reused for humidifying the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, even under low or no humidification conditions, the water content of the solid polymer electrolyte membrane can be maintained at a level required for stable operation, and a high output can be obtained stably.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。本発明に係る固
体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電
極が接合された膜電極接合体を備えている。また、電極
の少なくとも一方は、触媒又は担体に担持された触媒と
触媒層内電解質を含む触媒層を備え、かつ、触媒層内電
解質は、その気相側表面が反応ガス透過性を有する撥水
層で被覆されていることを特徴とする。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a membrane / electrode assembly in which electrodes are joined to both surfaces of a polymer electrolyte membrane. Further, at least one of the electrodes includes a catalyst layer containing a catalyst supported on a catalyst or a carrier and an electrolyte in the catalyst layer, and the electrolyte in the catalyst layer has a water-repellent gas-phase surface having a reactive gas permeability. Characterized by being coated with a layer.
【0017】撥水層は、カソード又はアノードのいずれ
か一方に設けられていれば良い。しかしながら、固体高
分子型燃料電池の場合、一般にカソード側からより多く
の水が排出されるので、少なくともカソード側に撥水層
を設けるのが好ましい。また、アノード側からも水の一
部が排出されるので、ドライ条件が著しい場合には、カ
ソード及びアノードの双方に撥水層を設けるのがさらに
好ましい。The water-repellent layer may be provided on either the cathode or the anode. However, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, since more water is generally discharged from the cathode side, it is preferable to provide a water-repellent layer at least on the cathode side. Further, since a part of water is discharged from the anode side, it is more preferable to provide a water-repellent layer on both the cathode and the anode when the dry condition is remarkable.
【0018】図1に、このような膜電極接合体10のカ
ソード側の断面図の一例を示す。図1において、膜電極
接合体10は、固体高分子電解質膜20と、その一方の
面に接合されたカソード30とを備えている。FIG. 1 shows an example of a cross-sectional view of such a membrane electrode assembly 10 on the cathode side. In FIG. 1, a membrane electrode assembly 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 20 and a cathode 30 joined to one surface thereof.
【0019】本発明においては、固体高分子電解質膜2
0には、種々の材料を用いることができ、特に限定され
るものではない。すなわち、固体高分子電解質膜20
は、ポリマ骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素
系ポリマであってイオン交換基を備えているものでもよ
く、あるいはポリマ骨格にフッ素を含まない炭化水素系
ポリマであってイオン交換基を備えているものであって
もよい。In the present invention, the solid polymer electrolyte membrane 2
For 0, various materials can be used, and there is no particular limitation. That is, the solid polymer electrolyte membrane 20
May be a fluorinated polymer in which all or part of the polymer skeleton is fluorinated and provided with an ion exchange group, or a hydrocarbon polymer containing no fluorine in the polymer skeleton and the ion exchange group It may be provided.
【0020】また、これらのポリマに含まれるイオン交
換基についても、特に限定されるものではない。すなわ
ち、イオン交換基は、スルホン酸、カルボン酸、ホスホ
ン酸、亜ホスホン酸等のいずれであってもよい。また、
これらのポリマには、1種類のイオン交換基が含まれて
いてもよく、あるいは、2種以上のイオン交換基が含ま
れていても良い。The ion exchange groups contained in these polymers are not particularly limited. That is, the ion exchange group may be any of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphonic acid, phosphonous acid and the like. Also,
These polymers may contain one kind of ion exchange group, or may contain two or more kinds of ion exchange groups.
【0021】ポリマ骨格の全部又は一部がフッ素化され
た固体高分子電解質としては、具体的には、ナフィオン
(登録商標)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポ
リマ、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマ、トリ
フルオロスチレンスルホン酸系ポリマ、エチレンテトラ
フルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマ等
が好適な一例として挙げられる。As the solid polymer electrolyte in which all or a part of the polymer skeleton is fluorinated, specifically, perfluorocarbon sulfonic acid-based polymers such as Nafion (registered trademark), perfluorocarbon phosphonic acid-based polymers, Styrene sulfonic acid polymers, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymers and the like are mentioned as preferable examples.
【0022】また、フッ素を含まない炭化水素系の固体
高分子電解質としては、具体的には、ポリスルホンスル
ホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリ
ベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイ
ミダゾールアルキルホスホン酸等が好適な一例として挙
げられる。Specific examples of the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte containing no fluorine include polysulfonesulfonic acid, polyaryletherketonesulfonic acid, polybenzimidazolealkylsulfonic acid, and polybenzimidazolealkylphosphonic acid. Is a preferred example.
【0023】カソード30は、拡散層32と、触媒層3
4と、撥水層42とを備えている。拡散層32は、触媒
層34への酸化剤ガスの供給及び電子の授受を行うため
の層であり、カソード30の気相側に設けられる。その
材質は、多孔質かつ電子伝導性を有するものであれば良
く、特に限定されるものではない。一般的には、多孔質
のカーボン布、カーボン紙等が用いられる。The cathode 30 comprises a diffusion layer 32 and a catalyst layer 3
4 and a water-repellent layer 42. The diffusion layer 32 is a layer for supplying an oxidizing gas to the catalyst layer 34 and transferring electrons, and is provided on the gas phase side of the cathode 30. The material is not particularly limited as long as it is porous and has electronic conductivity. Generally, a porous carbon cloth, carbon paper, or the like is used.
【0024】触媒層34は、電池反応の反応場となる層
であり、固体高分子電解質膜20と接する面に設けられ
る。また、触媒層34は、担体36と、担体36に担持
された触媒38と、触媒層内電解質40とを備えてい
る。担体36及び触媒38の材質は、特に限定されるも
のではなく、用途に応じて種々の材質を用いることがで
きる。一般に、担体36にはカーボンが用いられ、触媒
38にはPt又はPt合金が用いられる。なお、触媒3
8は、図1に示すように、担体36に担持された状態で
触媒層34に含まれていても良いが、触媒38が単独で
触媒層34に含まれていても良い。The catalyst layer 34 is a layer serving as a reaction field for a battery reaction, and is provided on a surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 20. The catalyst layer 34 includes a carrier 36, a catalyst 38 supported on the carrier 36, and an electrolyte 40 in the catalyst layer. The materials of the carrier 36 and the catalyst 38 are not particularly limited, and various materials can be used depending on the application. Generally, carbon is used for the carrier 36 and Pt or a Pt alloy is used for the catalyst 38. The catalyst 3
As shown in FIG. 1, 8 may be contained in the catalyst layer 34 while being supported on the carrier 36, or the catalyst 38 may be contained alone in the catalyst layer 34.
【0025】触媒層内電解質40は、触媒層34にイオ
ン伝導性を付与するために加えられるものである。触媒
層内電解質40の材質は、特に限定されるものではな
く、用途に応じて種々の材質を用いることができる。通
常は、固体高分子電解質膜20と同一成分を有する電解
質が用いられるが、異なる成分の電解質を用いても良
い。また、触媒層内電解質40の気相側表面に撥水層4
2を形成するために、触媒層内電解質40として、主鎖
の末端や側鎖に疎水セグメントを持つ固体高分子電解質
を、単独で、あるいは他の電解質と混合して用いても良
い。この点については、後述する。The catalyst layer electrolyte 40 is added to impart ionic conductivity to the catalyst layer 34. The material of the electrolyte 40 in the catalyst layer is not particularly limited, and various materials can be used depending on the application. Usually, an electrolyte having the same component as the solid polymer electrolyte membrane 20 is used, but an electrolyte having a different component may be used. Further, the water-repellent layer 4
In order to form 2, a solid polymer electrolyte having a hydrophobic segment at the end of the main chain or a side chain may be used alone or as a mixture with another electrolyte as the electrolyte 40 in the catalyst layer. This will be described later.
【0026】撥水層42は、触媒層内電解質40の気相
側表面を被覆するように設けられる。撥水層42の材質
は、酸化剤ガス中に含まれる酸素を触媒層34に供給す
ることが可能な酸素透過性と、触媒層34から拡散層3
2への水の排出を抑制することが可能な撥水性とを備え
たものであれば、いずれの材質であっても使用でき、特
に限定されるものではない。The water-repellent layer 42 is provided so as to cover the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer. The material of the water-repellent layer 42 is oxygen permeability capable of supplying oxygen contained in the oxidizing gas to the catalyst layer 34,
Any material can be used as long as the material has water repellency capable of suppressing the discharge of water to 2, and is not particularly limited.
【0027】また、撥水層42の厚さは、要求される酸
素透過性及び撥水性を備えている限り、その材質に応じ
て任意に選択することができる。例えば、十分な撥水性
を備えている限り、撥水層42は、単分子層であっても
良い。また、例えば、十分な酸素透過性を備えている限
り、撥水層42は、所定の厚さを有する高分子層であっ
ても良い。The thickness of the water-repellent layer 42 can be arbitrarily selected according to the material as long as it has the required oxygen permeability and water repellency. For example, the water-repellent layer 42 may be a monomolecular layer as long as it has sufficient water-repellency. Further, for example, the water-repellent layer 42 may be a polymer layer having a predetermined thickness as long as the layer has sufficient oxygen permeability.
【0028】さらに、撥水層42の面積は、広いほど良
い。触媒層内電解質40の気相側表面を被覆する撥水層
42の面積が大きくなるほど、触媒層34から拡散層3
2への水の排出が効率的に抑制されるためである。但
し、触媒層34と拡散層32との間で電子の授受を行う
ためには、両者が電気的に連続している必要がある。従
って、撥水層42は、触媒層内電解質40の気相側表面
の内、触媒38又は担体36が拡散層32と接触してい
る部分以外の部分を被覆する、実質的に連続した層であ
ることが好ましい。The larger the area of the water-repellent layer 42 is, the better. As the area of the water repellent layer 42 covering the gas phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer increases, the diffusion layer 3
This is because the discharge of water to 2 is efficiently suppressed. However, in order to transfer electrons between the catalyst layer 34 and the diffusion layer 32, both need to be electrically continuous. Therefore, the water-repellent layer 42 is a substantially continuous layer that covers a portion other than a portion where the catalyst 38 or the carrier 36 is in contact with the diffusion layer 32 in the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer. Preferably, there is.
【0029】このような撥水層42としては、具体的に
は、疎水性メタロキサン前駆体を重縮合させることによ
り得られる重縮合体層、触媒層内電解質40の気相側表
面にあるイオン交換基と塩基とを酸塩基反応させること
により得られる塩基層、触媒層内電解質40の気相側表
面に気相を介して撥水性材料を析出させた析出層等が好
適な一例として挙げられる。また、撥水層42は、触媒
層内電解質40の気相側表面に異種材料を形成する代わ
りに、触媒層内電解質40の少なくとも一部として主鎖
の末端や側鎖に疎水セグメントが結合している固体高分
子電解質を用い、この疎水セグメントを触媒層内電解質
40の気相側表面に偏在させることにより得られる偏在
層であっても良い。Specific examples of the water-repellent layer 42 include a polycondensate layer obtained by polycondensation of a hydrophobic metalloxane precursor and an ion exchange layer on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer. Preferable examples include a base layer obtained by performing an acid-base reaction between a group and a base, and a deposited layer in which a water-repellent material is deposited on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer via a gas phase. In addition, instead of forming a heterogeneous material on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer, the water-repellent layer 42 has a hydrophobic segment bonded to the terminal or side chain of the main chain as at least a part of the electrolyte 40 in the catalyst layer. An unevenly distributed layer obtained by unevenly distributing the hydrophobic segment to the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer using the solid polymer electrolyte described above may be used.
【0030】アノードを触媒層と拡散層の二層構造と
し、触媒層内電解質の表面に撥水層を形成する場合も上
述と同様である。すなわち、アノード側の撥水層は、要
求される水素透過性及び撥水性を有するものである限
り、任意の厚さを有する種々の材料を用いることができ
る。また、アノード側の撥水層は、拡散層と触媒層との
間の導通が確保される限りにおいて連続した層であるこ
とが望ましい。さらに、上述した重縮合体層、塩基層、
析出層及び偏在層は、いずれもアノード側の撥水層とし
て用いることができる。The same applies to the case where the anode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, and a water-repellent layer is formed on the surface of the electrolyte in the catalyst layer. That is, the water-repellent layer on the anode side can be made of various materials having an arbitrary thickness as long as it has the required hydrogen permeability and water repellency. Further, the water-repellent layer on the anode side is preferably a continuous layer as long as conduction between the diffusion layer and the catalyst layer is ensured. Further, the above-mentioned polycondensate layer, base layer,
Both the deposition layer and the unevenly distributed layer can be used as a water-repellent layer on the anode side.
【0031】なお、アノード側に撥水層を設ける場合、
撥水層の材質は、特に分子内にC−F結合を含むフッ素
系材料が好適である。フッ素系材料の薄層は、高い撥水
性を備えていることに加えて、COガスの透過率が低い
ので、これをアノード側の撥水層として用いると、アノ
ード側の触媒のCO被毒が抑制され、電極の耐久性が向
上するという利点がある。When a water-repellent layer is provided on the anode side,
The material of the water-repellent layer is particularly preferably a fluorine-based material containing a C—F bond in the molecule. Since the thin layer of the fluorine-based material has high water repellency and low CO gas permeability, if this is used as the water repellent layer on the anode side, CO poisoning of the catalyst on the anode side is reduced. This has the advantage of being suppressed and improving the durability of the electrode.
【0032】このような撥水層を備えた膜電極接合体1
0は、従来の膜電極接合体と同様に、その両面を、反応
ガスを供給するための反応ガス流路を備えたセパレータ
で狭持した状態で使用される。The membrane / electrode assembly 1 having such a water-repellent layer
No. 0 is used in a state where both surfaces thereof are sandwiched by a separator provided with a reaction gas flow path for supplying a reaction gas, similarly to the conventional membrane electrode assembly.
【0033】次に、本実施の形態に係る固体高分子型燃
料電池の作用について説明する。図1において、膜電極
接合体10のアノード(図示せず)側に水素を含む燃料
ガスを供給すると、アノードにおいて水素からプロトン
と電子が生成し、生成したプロトンは固体高分子電解質
膜20を通ってカソード30に移動する。また、生成し
た電子は、負荷(図示せず)からカソード30側の拡散
層32を通って触媒層34に運ばれる。Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment will be described. In FIG. 1, when a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode (not shown) side of the membrane electrode assembly 10, protons and electrons are generated from the hydrogen at the anode, and the generated protons pass through the solid polymer electrolyte membrane 20. To the cathode 30. The generated electrons are carried from the load (not shown) to the catalyst layer 34 through the diffusion layer 32 on the cathode 30 side.
【0034】一方、カソード30側に酸素を含む酸化剤
ガスを供給すると、酸素が拡散層32を通って撥水層4
2表面に達する。撥水層42は酸素透過性を有している
ので、酸素の拡散が阻害されることはなく、酸素は撥水
層42をそのまま透過し、触媒層34内の触媒38に達
する。On the other hand, when an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode 30 side, oxygen passes through the diffusion layer 32 and
Reach two surfaces. Since the water-repellent layer 42 has oxygen permeability, the diffusion of oxygen is not hindered, and oxygen passes through the water-repellent layer 42 as it is and reaches the catalyst 38 in the catalyst layer 34.
【0035】触媒38の表面では、プロトン、酸素、及
び電子から、水が生成する。この時、撥水層42は、高
い撥水性を有しているので、触媒層34内で生成した水
分の一部は、拡散層32側に排出されることなく触媒層
34内に滞留する。触媒層34内に滞留した水分は、拡
散により固体高分子電解質膜20内に戻され、固体高分
子電解質膜20の加湿に再利用される。そのため、補機
を用いて外部から水を補給しなくても、固体高分子電解
質膜20の含水率が安定作動に必要な水準に維持され、
高い出力が安定して得られる。On the surface of the catalyst 38, water is generated from protons, oxygen, and electrons. At this time, since the water-repellent layer 42 has high water repellency, a part of the water generated in the catalyst layer 34 stays in the catalyst layer 34 without being discharged to the diffusion layer 32 side. The water retained in the catalyst layer 34 is returned to the solid polymer electrolyte membrane 20 by diffusion, and is reused for humidifying the solid polymer electrolyte membrane 20. Therefore, the water content of the solid polymer electrolyte membrane 20 is maintained at a level required for stable operation even without externally replenishing water using an auxiliary machine.
High output is obtained stably.
【0036】また、固体高分子電解質膜20内に戻され
た水の一部は、アノード側に拡散する。この時、アノー
ド側の触媒層内電解質の気相側表面が撥水層で被覆され
ていると、燃料極から排出される水分量も減少する。そ
のため、膜電極接合体10から排出される総水分量が減
少し、無加湿運転がさらに容易化する。A part of the water returned into the solid polymer electrolyte membrane 20 diffuses to the anode side. At this time, if the gas-phase surface of the electrolyte in the catalyst layer on the anode side is covered with the water-repellent layer, the amount of water discharged from the fuel electrode also decreases. Therefore, the total amount of water discharged from the membrane electrode assembly 10 decreases, and the non-humidifying operation is further facilitated.
【0037】なお、上述の例では、電極は、触媒層内電
解質の気相側表面が撥水層で被覆された触媒層と、触媒
層の外側に設けられる拡散層からなる二層構造を有して
いるが、電極は、触媒層内電解質の気相側表面が撥水層
で被覆された触媒層のみからなる単相構造を有するもの
であっても良い。電極を単相構造とする場合、撥水層
は、触媒又は担体がセパレータと接触している部分以外
は、連続した層であることが好ましい。In the above-described example, the electrode has a two-layer structure including a catalyst layer in which the gas-phase surface of the electrolyte in the catalyst layer is covered with a water-repellent layer, and a diffusion layer provided outside the catalyst layer. However, the electrode may have a single-phase structure composed of only the catalyst layer in which the gas-phase surface of the electrolyte in the catalyst layer is covered with the water-repellent layer. When the electrode has a single-phase structure, the water-repellent layer is preferably a continuous layer except for a portion where the catalyst or the carrier is in contact with the separator.
【0038】次に、撥水層42の具体例について、詳細
に説明する。撥水層42の第1の具体例は、触媒層内電
解質40の気相側表面に疎水性メタロキサン前駆体を含
む溶液を塗布し、重縮合させることにより得られる重縮
合体層からなる。ここで、疎水性メタロキサン前駆体と
は、疎水基を有し、かつ、ゾルゲル法で重縮合させるこ
とによりメタロキサン結合を生ずるモノマ又はオリゴマ
をいう。疎水性メタロキサンモノマは、次の化1の式で
表すことができる。また、疎水性メタロキサンオリゴマ
とは、化1の式で表される疎水性メタロキサンモノマの
2〜200量体をいう。Next, a specific example of the water-repellent layer 42 will be described in detail. The first specific example of the water-repellent layer 42 includes a polycondensate layer obtained by applying a solution containing a hydrophobic metalloxane precursor to the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer and performing polycondensation. Here, the hydrophobic metalloxane precursor refers to a monomer or an oligomer having a hydrophobic group and producing a metalloxane bond by polycondensation by a sol-gel method. The hydrophobic metalloxane monomer can be represented by the following chemical formula 1. Further, the hydrophobic metalloxane oligomer refers to a 2- to 200-mer of a hydrophobic metalloxane monomer represented by the formula (1).
【0039】[0039]
【化1】X4−nM(OR)n Embedded image X 4-n M (OR) n
【0040】化1の式において、nは、1〜3までの整
数である。Mは4価の半金属元素又は金属元素であり、
シリコン、チタン、ジルコニウム等が好適な一例として
挙げられる。ORはアルコキシル基である。具体的に
は、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ
基等が好適な一例として挙げられる。In the formula 1, n is an integer of 1 to 3. M is a tetravalent metalloid or metal element;
Suitable examples include silicon, titanium, zirconium, and the like. OR is an alkoxyl group. Specifically, a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group and the like are mentioned as preferable examples.
【0041】また、元素Mに結合しているXは、少なく
とも1つが疎水基であればよい。疎水基としては、アル
キル基、シクロアルキル基、アリル基、アリール基等の
中の炭素と結合している少なくとも1つの水素がフッ素
に置き換わったものが特に好適である。また、疎水基
は、疎水性の強い炭化水素基(例えば、フェニル基、ア
ルキル基、アリル基等)であっても良い。さらに、2個
以上の疎水基が元素Mに結合している場合、各疎水基
は、同一のものであっても良く、あるいは、異なるもの
であっても良い。In addition, at least one of X bonded to the element M may be a hydrophobic group. As the hydrophobic group, those in which at least one hydrogen bonded to carbon in an alkyl group, a cycloalkyl group, an allyl group, an aryl group or the like is replaced by fluorine are particularly preferable. Further, the hydrophobic group may be a hydrocarbon group having strong hydrophobicity (for example, a phenyl group, an alkyl group, an allyl group, etc.). Further, when two or more hydrophobic groups are bonded to the element M, the respective hydrophobic groups may be the same or different.
【0042】このような疎水性メタロキサン前駆体とし
ては、具体的には、(3,3,3−トリフルオロプロピ
ル)トリメトキシシラン、(トリデカフルオロ−1,
1,2,2−テトラヒドロオクチル)トリエトキシシラ
ン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒ
ドロデシル)トリエトキシシラン等、及び、これらのオ
リゴマが好適な一例として挙げられる。As such a hydrophobic metalloxane precursor, specifically, (3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane, (tridecafluoro-1,
Suitable examples include 1,2,2-tetrahydrooctyl) triethoxysilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) triethoxysilane, and oligomers thereof.
【0043】触媒層内電解質40の気相側表面に疎水性
メタロキサン前駆体を含む溶液を塗布する場合、溶液に
は、1種類の疎水性メタロキサン前駆体が含まれていて
も良く、あるいは、2種以上の疎水性メタロキサン前駆
体が含まれていても良い。また、溶液に含まれる疎水性
メタロキサン前駆体の種類及び濃度、溶液の塗布量等
は、形成しようとする重縮合体層の厚さ、重縮合体層に
要求される反応ガス透過性、撥水性等に応じて、適宜調
節すれば良い。When a solution containing a hydrophobic metalloxane precursor is applied to the gas phase surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer, the solution may contain one kind of hydrophobic metalloxane precursor, or More than one type of hydrophobic metalloxane precursor may be included. Further, the type and concentration of the hydrophobic metalloxane precursor contained in the solution, the amount of the solution to be applied, etc. are determined by the thickness of the polycondensate layer to be formed, the reaction gas permeability required for the polycondensate layer, and the water repellency. What is necessary is just to adjust suitably according to etc.
【0044】また、本発明において「塗布」とは、触媒
層内電解質40の気相側表面を溶液で均一に被覆するこ
とをいい、具体的には、滴下、ハケ塗り、スプレー、蒸
気接触等が好適な一例として挙げられる。さらに、疎水
性メタロキサン前駆体の重縮合方法は、加熱する方法、
酸又はアルカリを作用させる方法等、種々の方法を用い
ることができ、特に限定されるものではない。In the present invention, "coating" refers to uniformly covering the gas-phase surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer with a solution, and specifically, dripping, brushing, spraying, steam contact, etc. Is a preferred example. Furthermore, the method of polycondensation of the hydrophobic metalloxane precursor is a method of heating,
Various methods such as a method of reacting with an acid or an alkali can be used and are not particularly limited.
【0045】触媒層内電解質40の気相側表面にイオン
交換基が露出していると、このイオン交換基を介して水
分が拡散層32側に排出されやすい。これに対し、触媒
層内電解質40の気相側表面を疎水性メタロキサン前駆
体の重縮合体層で被覆すると、触媒層34から拡散層3
2への水の排出が抑制される。特に、水の排出口となり
易いイオン交換基が露出した部分に存在する水と、イオ
ン交換基自身の触媒作用により、選択的に撥水層を形成
できるので、効率よく水の排出が抑制される。しかも、
このような重縮合体層は、反応ガス透過性を有している
ので、触媒層34への反応ガスの拡散が阻害されること
もない。そのため、無加湿条件下においても安定して作
動する燃料電池が得られる。When the ion-exchange groups are exposed on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer, water is easily discharged to the diffusion layer 32 side through the ion-exchange groups. On the other hand, when the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer is covered with the polycondensate layer of the hydrophobic metalloxane precursor, the diffusion layer 3
2 is suppressed. In particular, the water present in the portion where the ion exchange group which is likely to serve as a water discharge port is exposed, and the water repellent layer can be selectively formed by the catalytic action of the ion exchange group itself, so that the water discharge is efficiently suppressed. . Moreover,
Since such a polycondensate layer has a reaction gas permeability, diffusion of the reaction gas to the catalyst layer 34 is not hindered. Therefore, a fuel cell that operates stably even under non-humidified conditions can be obtained.
【0046】次に、第2の具体例について説明する。撥
水層42の第2の具体例は、触媒層内電解質40の気相
側表面にあるイオン交換基と塩基とを酸塩基反応させる
ことにより得られる塩基層からなる。イオン交換基と反
応させる塩基としては、次の化2の式で表される第4級
アンモニウム塩が好適な一例として挙げられる。Next, a second specific example will be described. The second specific example of the water-repellent layer 42 includes a base layer obtained by performing an acid-base reaction between a base and an ion exchange group on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer. As a preferable example of the base to be reacted with the ion exchange group, a quaternary ammonium salt represented by the following chemical formula 2 is given.
【0047】[0047]
【化2】(R4N)YEmbedded image (R 4 N) Y
【0048】化2の式において、Rは、一般にアルキル
基、アリル基、アリール基等であるが、本発明において
は、Rの構造は、特に限定されるものではなく、種々の
第4級アンモニウム塩を使用できる。また、塩基層に高
い撥水性を付与するためには、Rは、上述したアルキル
基、アリル基、アリール基等の中の炭素と結合している
少なくとも1つの水素がフッ素に置換した疎水基が特に
好適である。なお、窒素原子と結合する各Rは、同一の
ものであっても良く、あるいは、異なるものであっても
良い。また、Yは、陰イオンであり、その種類は、特に
限定されるものではない。In the formula (2), R is generally an alkyl group, an allyl group, an aryl group or the like, but in the present invention, the structure of R is not particularly limited, and various quaternary ammonium compounds may be used. Salt can be used. Further, in order to impart high water repellency to the base layer, R is a hydrophobic group in which at least one hydrogen bonded to carbon in the above-mentioned alkyl group, allyl group, aryl group or the like is substituted with fluorine. Particularly preferred. In addition, each R bonded to the nitrogen atom may be the same or different. Y is an anion, and its type is not particularly limited.
【0049】このような塩基としては、具体的には、ド
デシルトリメチルアンモニウムクロリド、ジステアリル
ジメチルアンモニウムクロリド、3,3,3−トリフル
オロトリプロピルトリメチルアンモニウムクロリド等が
好適な一例として挙げられる。Specific examples of suitable bases include dodecyltrimethylammonium chloride, distearyldimethylammonium chloride, and 3,3,3-trifluorotripropyltrimethylammonium chloride.
【0050】なお、触媒層内電解質40の気相側表面に
あるイオン交換基と塩基とを酸塩基反応させるには、塩
基を含む溶液を触媒層34の気相側表面に塗布すれば良
い。この場合、溶液に含まれる塩基の種類、溶液の濃
度、溶液の塗布量等は、塩基層に要求される反応ガス透
過性、撥水性等に応じて、適宜調節すれば良い。In order to cause an acid-base reaction between the ion exchange group on the gas phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer and the base, a solution containing a base may be applied to the gas phase side surface of the catalyst layer 34. In this case, the kind of the base contained in the solution, the concentration of the solution, the amount of the solution applied, and the like may be appropriately adjusted according to the reaction gas permeability, water repellency, and the like required for the base layer.
【0051】触媒層内電解質40の気相側表面にあるイ
オン交換基と塩基とを酸塩基反応させると、イオン交換
基が塩基によりブロックされ、触媒層34から拡散層3
2への水の排出が抑制される。特に、疎水基を備えた塩
基を用いると、イオン交換基のブロックに加え、疎水基
によって塩基層に高い撥水性が付与される。しかも、こ
のような塩基層は、反応ガス透過性を有しているので、
触媒層34への反応ガスの拡散が阻害されることもな
い。もちろん、気相側表面にあるイオン交換基のみを選
択的に撥水化するのみであるので、本来の役割であるプ
ロトン伝導性は、内部のイオン交換基により十分保たれ
る。When an ion-exchange group on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer is subjected to an acid-base reaction with the base, the ion-exchange group is blocked by the base, and the diffusion layer 3
2 is suppressed. In particular, when a base having a hydrophobic group is used, high water repellency is imparted to the base layer by the hydrophobic group in addition to the block of the ion exchange group. Moreover, since such a base layer has a reaction gas permeability,
The diffusion of the reaction gas into the catalyst layer 34 is not hindered. Of course, only the ion-exchange groups on the gas-phase side surface are selectively made water-repellent, so that the original role of proton conductivity is sufficiently maintained by the internal ion-exchange groups.
【0052】次に、第3の具体例について説明する。撥
水層42の第3の具体例は、気相を介して、触媒層内電
解質40の気相側表面に反応ガス透過性を有する撥水性
材料を析出させることにより得られる析出層からなる。
析出層に用いられる撥水性材料としては、具体的には、
CF4、ポリテトラフルオロエチレン(以下、これを
「PTFE」という。)、フッ化ピッチ等が好適な一例
として挙げられる。Next, a third specific example will be described. The third specific example of the water-repellent layer 42 is composed of a deposition layer obtained by depositing a water-repellent material having a reactive gas permeability on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer via the gas phase.
As the water-repellent material used for the deposition layer, specifically,
Suitable examples include CF 4 , polytetrafluoroethylene (hereinafter, referred to as “PTFE”), and fluorinated pitch.
【0053】また、気相析出させる方法は、使用する撥
水性材料の種類に応じて、種々の方法を用いることがで
きる。例えば、撥水性材料としてCF4を用いる場合、
プラズマ処理法が好適である。触媒層内電解質40の表
面に対してCF4を用いたプラズマ処理を行うと、処理
条件に応じて、単分子層から多分子層のフッ化炭素被膜
を触媒層内電解質40の気相側表面に形成することがで
きる。Various vapor deposition methods can be used depending on the type of water repellent material used. For example, when CF 4 is used as the water repellent material,
A plasma processing method is preferred. When the plasma treatment using CF 4 is performed on the surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer, the mono- to multi-molecular carbon fluoride film is coated on the gas-phase side of the electrolyte 40 in the catalyst layer according to the treatment conditions. Can be formed.
【0054】また、例えば、撥水性材料としてPTFE
を用いる場合、スパッタリング法が好適である。触媒層
内電解質40の表面に対してPTFEのスパッタリング
処理を行うと、処理条件に応じて、任意の厚さのPTF
E被膜を触媒層内電解質40の気相側表面に形成するこ
とができる。Further, for example, PTFE is used as a water-repellent material.
When using, a sputtering method is suitable. When the PTFE sputtering process is performed on the surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer, the PTFE having an arbitrary thickness can be formed according to the processing conditions.
The E film can be formed on the gas phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer.
【0055】また、例えば、撥水性材料としてフッ化ピ
ッチを用いる場合、蒸気接触法が好適である。触媒層内
電解質40にフッ化ピッチを蒸気接触させると、処理条
件に応じて、任意の厚さのフッ化ピッチ被膜を触媒層内
電解質40の気相側表面に形成することができる。For example, when pitch fluoride is used as the water-repellent material, the vapor contact method is preferred. When the pitch fluoride is brought into vapor contact with the electrolyte 40 in the catalyst layer, a pitch fluoride film having an arbitrary thickness can be formed on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer according to the processing conditions.
【0056】フッ素系の撥水性材料は、一般に溶剤に対
して難溶性であるので、溶液を塗布する方法により、撥
水性材料からなる均一な被膜を触媒層内電解質40の気
相側表面に形成するのは困難である。これに対し、気相
を介して析出させる方法によれば、触媒層内電解質40
表面のミクロな凹凸に沿って、均一な被膜を形成するこ
とができる。しかも、このような方法により得られる析
出層は、反応ガス透過性を有しているので、触媒層34
への反応ガスの拡散が阻害されることもない。Since a fluorine-based water-repellent material is generally hardly soluble in a solvent, a uniform coating made of the water-repellent material is formed on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer by applying a solution. It is difficult to do. On the other hand, according to the method of depositing through the gas phase, the electrolyte 40 in the catalyst layer is used.
A uniform coating can be formed along the microscopic irregularities on the surface. Moreover, since the deposited layer obtained by such a method has a reaction gas permeability, the catalyst layer 34
There is no hindrance to the diffusion of the reaction gas into the reactor.
【0057】次に、第4の具体例について説明する。撥
水層42の第4の具体例は、触媒層内電解質40とし
て、主鎖の末端や側鎖に疎水性セグメントを持つ固体高
分子電解質(以下、これを「疎水性電解質」という。)
を用い、疎水セグメントを触媒層内電解質40の気相側
表面に偏在させることにより得られる偏在層からなる。Next, a fourth specific example will be described. In a fourth specific example of the water-repellent layer 42, a solid polymer electrolyte having a hydrophobic segment at an end of a main chain or a side chain (hereinafter, referred to as a “hydrophobic electrolyte”) is used as the electrolyte 40 in the catalyst layer.
And the uneven distribution layer obtained by uneven distribution of the hydrophobic segment on the gas phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer.
【0058】ここで、疎水セグメントとは、一般式:C
F3−(CF2)n−で表される原子団をいう。疎水セ
グメントは、直鎖状であっても良く、あるいは、分岐が
途中にあってもいっこうにかまわない。一般に、nが大
きくなるほど、疎水セグメントの撥水性が高くなる傾向
がある。一方、nの値は、反応ガス透過性にほとんど影
響を与えない。従って、nの値は、要求される撥水性、
疎水性電解質の製造容易性等を考慮して、任意に選択す
ることができる。偏在層に高い撥水性を付与するために
は、nは、2以上が好ましく、さらに好ましくは10以
上である。但し、nが200を超えると溶解性が低下
し、触媒層を形成し難くなるので、nは200以下が好
ましい。Here, the hydrophobic segment is represented by the general formula: C
It refers to an atomic group represented by F 3 — (CF 2 ) n —. The hydrophobic segment may be linear or may be in the middle of the branch. In general, as n increases, the water repellency of the hydrophobic segment tends to increase. On the other hand, the value of n hardly affects the reaction gas permeability. Therefore, the value of n is the required water repellency,
It can be arbitrarily selected in consideration of, for example, ease of production of the hydrophobic electrolyte. In order to impart high water repellency to the unevenly distributed layer, n is preferably 2 or more, and more preferably 10 or more. However, if n exceeds 200, the solubility decreases and it becomes difficult to form a catalyst layer. Therefore, n is preferably 200 or less.
【0059】また、疎水性電解質の疎水セグメント以外
の部分は、特に限定されるものではない。すなわち、疎
水性電解質は、ポリマ骨格の全部又は一部がフッ素化さ
れた固体高分子電解質の主鎖の末端もしくは側鎖に疎水
セグメントを結合させたものであっても良く、あるい
は、フッ素を含まない炭化水素系の固体高分子電解質の
主鎖の末端や側鎖に疎水セグメントを結合させたもので
あっても良い。The portion of the hydrophobic electrolyte other than the hydrophobic segment is not particularly limited. That is, the hydrophobic electrolyte may be one in which a hydrophobic segment is bonded to the terminal or side chain of the main chain of the solid polymer electrolyte in which all or a part of the polymer skeleton is fluorinated, or contains fluorine. The hydrocarbon-based solid polymer electrolyte may be one in which a hydrophobic segment is bonded to the terminal or side chain of the main chain.
【0060】このような疎水性電解質としては、具体的
には、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマの主鎖の
末端や側鎖に疎水セグメントを結合させたものが好適な
一例として挙げられる。なお、触媒層内電解質40に
は、疎水性電解質を単独で用いても良く、あるいは、疎
水性電解質と疎水セグメントを有しない電解質との混合
物を用いても良い。As a specific example of such a hydrophobic electrolyte, one in which a hydrophobic segment is bonded to the terminal or side chain of the main chain of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer is mentioned as a preferred example. As the electrolyte 40 in the catalyst layer, a hydrophobic electrolyte may be used alone, or a mixture of a hydrophobic electrolyte and an electrolyte having no hydrophobic segment may be used.
【0061】疎水性電解質を含む触媒層内電解質40
と、触媒又は担体に担持した触媒との混合液を固体高分
子電解質膜20の表面に塗布し、溶媒を除去すると、触
媒層34が形成される。この時、溶媒が除去されるに伴
い、疎水セグメントが触媒層内電解質40の気相側表面
に配列し、触媒層内電解質40の気相側表面に偏在層が
形成される。このようにして得られた偏在層は、撥水性
を有し、しかも、反応ガス透過性を有しているので、触
媒層34への反応ガスの拡散を阻害することなく、拡散
層32への水の排出を抑制することができる。The electrolyte 40 in the catalyst layer containing a hydrophobic electrolyte
Then, a mixed solution of the catalyst and the catalyst supported on the carrier is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane 20, and the solvent is removed, whereby the catalyst layer 34 is formed. At this time, as the solvent is removed, the hydrophobic segments are arranged on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer, and an uneven distribution layer is formed on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer. Since the unevenly distributed layer thus obtained has water repellency and has a reaction gas permeability, the diffusion layer 32 does not impede the diffusion of the reaction gas to the catalyst layer 34, and does not impede the diffusion layer 32. Water discharge can be suppressed.
【0062】次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池
の製造方法について説明する。本発明に係る固体高分子
型燃料電池は、種々の方法により製造することができ
る。第1の製造方法は、まず、固体高分子電解質膜20
の両面に触媒層34を形成し、次いで、上述した種々の
方法を用いて触媒層内電解質40の表面に撥水層42を
均一に形成した後、触媒層34の表面に拡散層32を形
成する方法である。この場合、拡散層32は、触媒層3
4と接合しても良く、あるいは、セル組み付け時に締結
によって接触させるだけでも良い。Next, a method for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described. The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be manufactured by various methods. In the first manufacturing method, first, the solid polymer electrolyte membrane 20
After the catalyst layer 34 is formed on both surfaces of the catalyst layer 34, the water-repellent layer 42 is uniformly formed on the surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer using the above-described various methods, and then the diffusion layer 32 is formed on the surface of the catalyst layer 34. How to In this case, the diffusion layer 32 is
4 or may be simply brought into contact by fastening when assembling the cells.
【0063】触媒層34中の担体36もしくは触媒38
が完全に触媒層内電解質40に被覆された状態の場合に
は、触媒層内電解質40の気相側表面に撥水層42を均
一に形成した後、拡散層32の接合又は締結を行うと、
拡散層32の表面の内、突出している部分が撥水層42
及び触媒層内電解質40を突き破り、触媒層34と拡散
層32が電気的に連通した状態となる。このような膜電
極接合体10の両側を、反応ガス流路を備えたセパレー
タで狭持すれば、無加湿条件下でも安定に作動する固体
高分子型燃料電池が得られる。The carrier 36 or the catalyst 38 in the catalyst layer 34
Is completely covered with the electrolyte 40 in the catalyst layer, after the water-repellent layer 42 is uniformly formed on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer, the bonding or fastening of the diffusion layer 32 is performed. ,
The protruding part of the surface of the diffusion layer 32 is the water repellent layer 42.
Then, the catalyst layer 34 and the diffusion layer 32 are electrically connected to each other. By sandwiching both sides of such a membrane electrode assembly 10 with a separator having a reaction gas flow path, a polymer electrolyte fuel cell that operates stably even under non-humidified conditions can be obtained.
【0064】第2の製造方法は、まず、シート状の触媒
層34を作製し、次いで、上述した種々の方法を用いて
触媒層内電解質40の表面に撥水層42を均一に形成し
た後、撥水層42が形成された触媒層34を固体高分子
電解質膜20に接合し、さらに、触媒層34の表面に拡
散層32を形成する方法である。この場合も、拡散層3
2は、接合しても良く、あるいは、締結によって接触さ
せるだけでも良いIn the second manufacturing method, first, a sheet-like catalyst layer 34 is formed, and then a water-repellent layer 42 is uniformly formed on the surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer by using the above-described various methods. In this method, the catalyst layer 34 on which the water-repellent layer 42 is formed is joined to the solid polymer electrolyte membrane 20, and the diffusion layer 32 is formed on the surface of the catalyst layer 34. Also in this case, the diffusion layer 3
2 may be joined or just contacted by fastening
【0065】第3の製造方法は、まず、固体高分子電解
質膜20の表面に触媒層34を形成し、次いで、触媒層
34の表面に拡散層32を形成した後、拡散層32側か
ら疎水性メタロキサン前駆体の含浸・重縮合、塩基によ
る処理、撥水性材料の気相析出等を行い、触媒層内電解
質40の気相側表面に撥水層42を形成する方法であ
る。このような方法によっても、無加湿条件下で安定に
作動する固体高分子型燃料電池を得ることができる。In the third manufacturing method, first, the catalyst layer 34 is formed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane 20, then the diffusion layer 32 is formed on the surface of the catalyst layer 34, and then the hydrophobic layer is formed from the diffusion layer 32 side. This is a method of forming a water-repellent layer 42 on the gas-phase side surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer by performing impregnation / polycondensation of a reactive metalloxane precursor, treatment with a base, vapor-phase deposition of a water-repellent material, and the like. Even with such a method, a polymer electrolyte fuel cell that can operate stably under non-humidified conditions can be obtained.
【0066】第4の製造方法は、まず拡散層32に触媒
層34を形成し、次いで、拡散層32側から触媒層内電
解質40の表面に撥水層42を形成した後、電解質膜2
0と接合する方法である。In the fourth manufacturing method, first, a catalyst layer 34 is formed on the diffusion layer 32, and then a water-repellent layer 42 is formed on the surface of the electrolyte 40 in the catalyst layer from the diffusion layer 32 side.
This is a method of joining with 0.
【0067】なお、上述した製造方法において、電極
は、いずれも触媒層34と拡散層32の二層構造になっ
ているが、撥水層42で被覆された触媒層34をそのま
ま電極として用いる場合には、触媒層34の表面に拡散
層32を形成する工程を省略し、かつ、電子伝導通路を
形成する工程を追加する以外は、上述と同様の方法によ
り製造することができる。In the above-described manufacturing method, each of the electrodes has a two-layer structure of the catalyst layer 34 and the diffusion layer 32. However, when the catalyst layer 34 covered with the water-repellent layer 42 is used as an electrode as it is. Can be manufactured by the same method as described above, except that the step of forming the diffusion layer 32 on the surface of the catalyst layer 34 is omitted and the step of forming an electron conduction path is added.
【0068】[0068]
【実施例】(実施例1)以下の手順により固体高分子型
燃料電池を作製した。すなわち、固体高分子電解質膜と
してナフィオン膜(デュポン社製、N112)を用い、
膜中に含まれる有機物等を除去し、完全なプロトン型と
するために、10%H2O2水溶液、0.5MH2SO
4水溶液、及び、純水の順で煮沸し、乾燥させた。EXAMPLES (Example 1) A polymer electrolyte fuel cell was manufactured by the following procedure. That is, using a Nafion membrane (N112, manufactured by DuPont) as a solid polymer electrolyte membrane,
In order to remove organic substances and the like contained in the membrane and obtain a complete proton type, a 10% H 2 O 2 aqueous solution, 0.5 MH 2 SO
It boiled in order of 4 aqueous solution and pure water, and was dried.
【0069】次に、テトラフルオロエチレンシート上に
触媒層(13cm2)を形成し、これを固体高分子電解
質膜の両面にホットプレス(140℃、4.9MPa)
により転写した。次いで、アノード側のみ、触媒層の上
にさらに拡散層(E−TEK製)をホットプレス(14
0℃、7.35MPa)により接合した。Next, a catalyst layer (13 cm 2 ) was formed on a tetrafluoroethylene sheet, and this was hot-pressed (140 ° C., 4.9 MPa) on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane.
Was transferred. Next, a diffusion layer (made by E-TEK) was further hot-pressed (14
Bonding was performed at 0 ° C. and 7.35 MPa).
【0070】次に、カソード側の触媒層の表面全面に、
300μlの(3,3,3−トリフルオロプロピル)ト
リメトキシシラン(チッソ(株)製)の溶液(フッ素溶
媒)を均一に滴下した。次いで、カソード側の触媒層の
表面に拡散層を重ね、ホットプレス(140℃、7.3
5MPa)を行い、拡散層の接合と同時に、(3,3,
3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシランの縮合
を行った。得られた膜電極接合体の両側を、反応ガス流
路を備えたセパレータで狭持し、固体高分子型燃料電池
を得た。Next, over the entire surface of the catalyst layer on the cathode side,
A solution (fluorine solvent) of 300 μl of (3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane (manufactured by Chisso Corporation) was uniformly dropped. Next, a diffusion layer was stacked on the surface of the catalyst layer on the cathode side, and hot pressed (140 ° C., 7.3).
5MPa) and simultaneously with the bonding of the diffusion layer,
The condensation of (3-trifluoropropyl) trimethoxysilane was performed. Both sides of the obtained membrane / electrode assembly were sandwiched by separators having a reaction gas flow path to obtain a polymer electrolyte fuel cell.
【0071】(比較例1)カソード側の触媒層表面に、
(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシ
ランの滴下を行わなかった以外は、実施例1と同一の手
順に従い、固体高分子型燃料電池を作製した。(Comparative Example 1) On the surface of the catalyst layer on the cathode side,
A polymer electrolyte fuel cell was manufactured according to the same procedure as in Example 1 except that (3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane was not dropped.
【0072】実施例1及び比較例1で得られた固体高分
子型燃料電池を用いて、カソード及びアノードから排出
される水分量を計測するトラップ実験を行った。トラッ
プ実験の条件は、燃料ガス及び酸化剤ガスとして、それ
ぞれ、水素及び空気を用い、両極無加湿、セル温度80
℃、電流密度0.5A/cm2、燃料過剰率2、空気過
剰率1.77とした。この条件下で3時間の連続運転を
行い、その間にカソード側及びアノード側から排出され
た水分量を計測した。結果を表1に示す。また、トラッ
プ実験中にセルの電圧及び抵抗を逐次計測し、その平均
値を求めた。結果を表2に示す。Using the polymer electrolyte fuel cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1, a trap experiment for measuring the amount of water discharged from the cathode and the anode was performed. The conditions of the trap experiment were as follows: hydrogen and air were used as the fuel gas and the oxidizing gas, respectively.
° C, current density 0.5 A / cm 2 , excess fuel ratio 2, excess air ratio 1.77. Under these conditions, continuous operation was performed for 3 hours, during which time the amount of water discharged from the cathode side and the anode side was measured. Table 1 shows the results. Further, during the trap experiment, the voltage and resistance of the cell were sequentially measured, and the average value was obtained. Table 2 shows the results.
【0073】[0073]
【表1】 [Table 1]
【0074】[0074]
【表2】 [Table 2]
【0075】表1より、カソード側の触媒層表面に撥水
層を形成した実施例1の方が、水の総排出量に対するカ
ソード側からの排出水量の割合が少ないことがわかる。
これは、カソード側の触媒層内電解質の表面に撥水層を
形成することによって、カソード側から気相側への生成
水の排出が抑制され、カソード側から排出されなかった
生成水がアノード側へより多く拡散したためである。Table 1 shows that in Example 1 in which the water-repellent layer was formed on the surface of the catalyst layer on the cathode side, the ratio of the amount of water discharged from the cathode side to the total amount of water discharged was smaller.
This is because, by forming a water-repellent layer on the surface of the electrolyte in the catalyst layer on the cathode side, the discharge of generated water from the cathode side to the gas phase side is suppressed, and the generated water not discharged from the cathode side is reduced to the anode side. Because it spread more.
【0076】また、表2より、実施例1の方が、電圧が
高く、かつ、抵抗が小さいことがわかる。これは、カソ
ード側の撥水層によって酸素の拡散が阻害されず、しか
も、カソード側から排出されなかった生成水の一部が固
体高分子電解質膜の加湿に再利用され、固体高分子電解
質膜が適切な含水状態に維持されたためである。Table 2 shows that Example 1 has a higher voltage and a lower resistance. This is because the diffusion of oxygen is not hindered by the water-repellent layer on the cathode side, and a part of the generated water not discharged from the cathode side is reused for humidification of the solid polymer electrolyte membrane. Was maintained in an appropriate water-containing state.
【0077】次に、実施例1及び比較例1で得られた燃
料電池を用いて、セル温度の異なる条件下で無加湿転を
行い、電圧と抵抗の変化を調べた。なお、運転条件は、
燃料ガス及び酸化剤ガスとして、それぞれ、水素及び空
気を用い、両極無加湿、電流密度0.5A/cm2、燃
料過剰率1.2、空気過剰率1.77とした。また、セ
ル温度は、30分間隔で2.5℃ずつ上昇させた。図2
に、セル温度と電圧の関係を示す。また、図3に、セル
温度と抵抗の関係を示す。Next, using the fuel cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1, non-humidifying rolling was performed under different cell temperatures, and changes in voltage and resistance were examined. The operating conditions are
Hydrogen and air were used as the fuel gas and the oxidizing gas, respectively, and were humidified at both electrodes, the current density was 0.5 A / cm 2 , the excess fuel ratio was 1.2, and the excess air ratio was 1.77. The cell temperature was increased by 2.5 ° C. every 30 minutes. FIG.
Shows the relationship between cell temperature and voltage. FIG. 3 shows the relationship between cell temperature and resistance.
【0078】比較例1の場合、セル温度を80℃とする
と、両極無加湿の条件下でも安定して発電することがで
きた。しかしながら、セル温度を82.5℃に上昇させ
ると、急激に抵抗が増大し、出力電圧が得られなくなっ
た。これに対し、実施例1の場合、セル温度の上昇に伴
い、抵抗が増大し、かつ、電圧は低下したが、セル温度
を87.5℃まで上昇させても約0.4Vの電圧が安定
して得られた。In the case of Comparative Example 1, when the cell temperature was set at 80 ° C., power could be stably generated even under the condition that the electrodes were not humidified. However, when the cell temperature was increased to 82.5 ° C., the resistance increased rapidly, and an output voltage could not be obtained. On the other hand, in the case of Example 1, the resistance increased and the voltage decreased as the cell temperature increased, but the voltage of about 0.4 V was stable even when the cell temperature was increased to 87.5 ° C. Was obtained.
【0079】以上の結果から、カソード側の触媒層内電
解質の気相側表面に撥水層を形成すると、外部加湿なし
の無加湿条件下でも、生成水によって固体高分子電解質
膜が適正な含水状態に維持され、安定かつ高い電池性能
が得られることがわかった。また、セル温度の高い条件
下においても、固体高分子電解質膜の含水率を適正な水
準に維持できることがわかった。From the above results, when the water-repellent layer is formed on the gas-phase side surface of the electrolyte in the catalyst layer on the cathode side, the solid polymer electrolyte membrane can be properly hydrated by the generated water even under non-humidifying conditions without external humidification. It was found that the battery was maintained in a state and stable and high battery performance was obtained. In addition, it was found that the water content of the solid polymer electrolyte membrane could be maintained at an appropriate level even under high cell temperature conditions.
【0080】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. is there.
【0081】例えば、上記実施の形態では、固体高分子
電解質膜として陽イオン交換型の電解質を用いた例につ
いて説明したが、陰イオン交換型の電解質を固体高分子
電解質膜として用いても良い。また、本発明による電解
質の無加湿化の手法は、特に、固体高分子型燃料電池に
対して好適であるが、本発明の手法は、電解質の水管理
が必須である他の種類の燃料電池(例えば、リン酸型燃
料電池、アルカリ型燃料電池等)に対しても同様に適用
することができる。For example, in the above embodiment, an example in which a cation exchange type electrolyte is used as the solid polymer electrolyte membrane has been described, but an anion exchange type electrolyte may be used as the solid polymer electrolyte membrane. In addition, the method of dehumidifying an electrolyte according to the present invention is particularly suitable for a polymer electrolyte fuel cell, but the method of the present invention is applicable to other types of fuel cells in which water management of the electrolyte is essential. (For example, a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, and the like) can be similarly applied.
【0082】[0082]
【発明の効果】本発明は、固体高分子電解質膜の両面に
電極が接合された膜電極接合体を備えた固体高分子型燃
料電池において、前記電極の少なくとも一方は、触媒又
は担体に担持された触媒と触媒層内電解質とを含む触媒
層を備え、前記触媒層内電解質の気相側表面が反応ガス
透過性を有する撥水層で被覆されているので、補機によ
る加湿のない無加湿条件下においても固体高分子電解質
膜が適切な含水状態に維持され、高い出力が安定して得
られるという効果がある。According to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell having a membrane / electrode assembly in which electrodes are joined to both surfaces of a polymer electrolyte membrane. At least one of the electrodes is supported on a catalyst or a carrier. A catalyst layer containing a catalyst and an electrolyte in the catalyst layer, and the gas-phase surface of the electrolyte in the catalyst layer is covered with a water-repellent layer having a reaction gas permeability, so that there is no humidification without humidification by auxiliary equipment. Under such conditions, the solid polymer electrolyte membrane is maintained in an appropriate water-containing state, and there is an effect that a high output can be stably obtained.
【図1】 本発明に係る固体高分子型燃料電池の空気極
側の拡大断面図である。FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view on the air electrode side of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
【図2】 無加湿条件下におけるセル温度と電圧の関係
を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between cell temperature and voltage under non-humidified conditions.
【図3】 無加湿条件下におけるセル温度と抵抗の関係
を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between cell temperature and resistance under non-humidified conditions.
10 膜電極接合体 20 固体高分子電解質膜 30 カソード 32 拡散層 34 触媒層 36 担体 38 触媒 40 触媒層内電解質 42 撥水層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane electrode assembly 20 Solid polymer electrolyte membrane 30 Cathode 32 Diffusion layer 34 Catalyst layer 36 Carrier 38 Catalyst 40 Electrolyte in catalyst layer 42 Water repellent layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 友 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS03 BB08 BB16 5H026 AA06 BB04 BB10 CX04 CX05 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Tomo Morimoto 41-cho, Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture F-term in Toyota Central R & D Laboratories Co., Ltd. 5H018 AA06 AS03 BB08 BB16 5H026 AA06 BB04 BB10 CX04 CX05
Claims (5)
された膜電極接合体を備えた固体高分子型燃料電池にお
いて、 前記電極の少なくとも一方は、触媒又は担体に担持され
た触媒と触媒層内電解質とを含む触媒層を備え、前記触
媒層内電解質の気相側表面が反応ガス透過性を有する撥
水層で被覆されていることを特徴とする固体高分子型燃
料電池。1. A solid polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane / electrode assembly having electrodes joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane, wherein at least one of the electrodes comprises a catalyst or a catalyst supported on a carrier and a catalyst. A polymer electrolyte fuel cell, comprising: a catalyst layer containing an inner layer electrolyte; and a gas-phase surface of the inner catalyst layer covered with a water-repellent layer having a reactive gas permeability.
相側表面に疎水性メタロキサン前駆体を含む溶液を塗布
し、重縮合させることにより得られる重縮合体層である
請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。2. The water-repellent layer is a polycondensate layer obtained by applying a solution containing a hydrophobic metalloxane precursor to the gas-phase side surface of the electrolyte in the catalyst layer and subjecting the solution to polycondensation. 9. The polymer electrolyte fuel cell according to item 1.
相側表面にあるイオン交換基と塩基とを酸塩基反応させ
ることにより得られる塩基層である請求項1に記載の固
体高分子型燃料電池。3. The solid layer according to claim 1, wherein the water-repellent layer is a base layer obtained by performing an acid-base reaction between a base and an ion exchange group on a gas phase side surface of the electrolyte in the catalyst layer. Molecular fuel cell.
層内電解質の気相側表面に反応ガス透過性を有する撥水
性材料を析出させることにより得られる析出層である請
求項1に記載の固体高分子型燃料電池。4. The water-repellent layer is a deposited layer obtained by depositing a water-repellent material having a reactive gas permeability on a gas-phase side surface of the electrolyte in the catalyst layer via a gas phase. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to 1.
て主鎖の末端や側鎖に疎水セグメントが結合しているも
のを用い、該疎水セグメントを前記触媒層の気相側表面
に偏在させることにより得られる偏在層である請求項1
に記載の固体高分子型燃料電池。5. The water-repellent layer uses an electrolyte in which a hydrophobic segment is bonded to a terminal or a side chain of a main chain as an electrolyte in the catalyst layer, and the hydrophobic segment is unevenly distributed on a gas phase side surface of the catalyst layer. 2. An unevenly distributed layer obtained by causing
9. The polymer electrolyte fuel cell according to item 1.
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---|---|---|---|
JP2000401275A JP4714990B2 (en) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | Polymer electrolyte fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Country Status (1)
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---|---|
JP (1) | JP4714990B2 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004273255A (en) * | 2003-03-07 | 2004-09-30 | Asahi Kasei Corp | Method for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell |
JP2006164575A (en) * | 2004-12-02 | 2006-06-22 | Dainippon Printing Co Ltd | Water-repellent electrode catalyst layer for solid polymer fuel cell, catalyst layer transfer sheet, and catalyst layer/electrolyte assembly |
JP2007242447A (en) * | 2006-03-09 | 2007-09-20 | Dainippon Printing Co Ltd | Catalyst layer-electrolyte membrane laminate and its manufacturing method |
WO2009119017A1 (en) | 2008-03-24 | 2009-10-01 | 三洋電機株式会社 | Membrane electrode assembly and fuel cell |
US8003276B2 (en) | 2005-12-27 | 2011-08-23 | Nissan Motor Co., Ltd. | Membrane electrode assembly and fuel cell using the same |
US8475964B2 (en) | 2008-03-24 | 2013-07-02 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Membrane-electrode assembly, fuel cell, and fuel cell system |
US8932784B2 (en) | 2007-03-27 | 2015-01-13 | Jx Nippon Oil & Energy Corporation | Fuel cell |
JP2016515296A (en) * | 2013-03-13 | 2016-05-26 | エルビット システムズ ランド アンド シー4アイ リミテッド | Preparation of improved CCM for AMFC by amination and crosslinking of precursor form of ionomer |
CN113632265A (en) * | 2019-04-09 | 2021-11-09 | 凸版印刷株式会社 | Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell |
JP2022543189A (en) * | 2019-08-22 | 2022-10-11 | ジョンソン マッセイ ハイドロジェン テクノロジーズ リミテッド | catalyst membrane |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11144740A (en) * | 1997-11-07 | 1999-05-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Solid high-molecular fuel cell |
JP2000228205A (en) * | 1999-02-09 | 2000-08-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | High polymer electrolyte fuel cell |
JP2002042823A (en) * | 2000-07-25 | 2002-02-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
-
2000
- 2000-12-28 JP JP2000401275A patent/JP4714990B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11144740A (en) * | 1997-11-07 | 1999-05-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Solid high-molecular fuel cell |
JP2000228205A (en) * | 1999-02-09 | 2000-08-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | High polymer electrolyte fuel cell |
JP2002042823A (en) * | 2000-07-25 | 2002-02-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004273255A (en) * | 2003-03-07 | 2004-09-30 | Asahi Kasei Corp | Method for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell |
JP4649094B2 (en) * | 2003-03-07 | 2011-03-09 | 旭化成イーマテリアルズ株式会社 | Manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cell |
JP2006164575A (en) * | 2004-12-02 | 2006-06-22 | Dainippon Printing Co Ltd | Water-repellent electrode catalyst layer for solid polymer fuel cell, catalyst layer transfer sheet, and catalyst layer/electrolyte assembly |
US8003276B2 (en) | 2005-12-27 | 2011-08-23 | Nissan Motor Co., Ltd. | Membrane electrode assembly and fuel cell using the same |
JP2007242447A (en) * | 2006-03-09 | 2007-09-20 | Dainippon Printing Co Ltd | Catalyst layer-electrolyte membrane laminate and its manufacturing method |
US8932784B2 (en) | 2007-03-27 | 2015-01-13 | Jx Nippon Oil & Energy Corporation | Fuel cell |
US8440364B2 (en) | 2008-03-24 | 2013-05-14 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Membrane electrode assembly and fuel cell |
US8475964B2 (en) | 2008-03-24 | 2013-07-02 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Membrane-electrode assembly, fuel cell, and fuel cell system |
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