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JP2021190176A - Membrane electrode gas diffusion layer assembly for fuel battery cell - Google Patents

Membrane electrode gas diffusion layer assembly for fuel battery cell Download PDF

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JP2021190176A
JP2021190176A JP2020090939A JP2020090939A JP2021190176A JP 2021190176 A JP2021190176 A JP 2021190176A JP 2020090939 A JP2020090939 A JP 2020090939A JP 2020090939 A JP2020090939 A JP 2020090939A JP 2021190176 A JP2021190176 A JP 2021190176A
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layer
gas diffusion
catalyst layer
membrane electrode
catalyst
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JP2020090939A
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孝介 進藤
Kosuke Shindo
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

To provide a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA) which can prevent peeling between a catalyst layer and a microporous layer due to swelling and contraction of an electrolyte membrane.SOLUTION: An MEGA 2 for a fuel battery cell includes: a membrane electrode assembly 4 having an electrolyte membrane 5 and a pair of catalyst layers 6 and 6 joined to each other so as to sandwich both surfaces of the electrolyte membrane 5; and a pair of gas diffusion layers 7 and 7 joined to each other so as to sandwich both surfaces of the membrane electrode assembly 4. At least one of the pair of gas diffusion layers 7 and 7 has a microporous layer 72 in contact with the catalyst layer 6, the catalyst layer 6 contains an ionomer, and the microporous layer 72 contains a polytetrafluoroethylene resin. When a basis weight of the ionomer contained per unit area of the catalyst layer 6 is represented by A and a basis weight of the polytetrafluoroethylene resin contained per unit area of the microporous layer 72 is represented by B, 0.20≤A/B is satisfied.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、燃料電池セル用の膜電極ガス拡散層接合体に関する。 The present invention relates to a membrane electrode gas diffusion layer junction for a fuel cell.

従来から、固体高分子型燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層した構造を有している。燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、電解質膜を挟むように接合されたアノード触媒層およびカソード触媒層とからなる膜電極接合体を備えている。膜電極接合体の両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層が形成されている。膜電極接合体の両側にガス拡散層が配置された膜電極ガス拡散層接合体(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly、以下「MEGA」)は、一対のセパレータにより挟持されている。 Conventionally, a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a plurality of fuel cell cells are laminated. The fuel cell includes a membrane electrode assembly composed of an ion-permeable electrolyte membrane and an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer bonded so as to sandwich the electrolyte membrane. Gas diffusion layers are formed on both sides of the membrane electrode assembly to supply fuel gas or oxidant gas and to collect electricity generated by an electrochemical reaction. A membrane electrode gas diffusion layer assembly (Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly, hereinafter "MEGA") in which gas diffusion layers are arranged on both sides of the membrane electrode assembly is sandwiched by a pair of separators.

MEGAの膜電極接合体において、アノード触媒層には燃料としての水素ガスが供給され、カソードに触媒層は酸化剤としての酸素ガス(空気)が供給され、アノード触媒層で水素をプロトンに酸化し、カソード触媒層で酸素を水に還元して、燃料電池セルは発電する。 In the MEGA membrane electrode assembly, hydrogen gas as a fuel is supplied to the anode catalyst layer, oxygen gas (air) as an oxidizing agent is supplied to the cathode in the cathode layer, and hydrogen is oxidized to protons in the anode catalyst layer. , Oxidation is reduced to water in the cathode catalyst layer, and the fuel cell generates electricity.

このようなMEGAにおいて、ガス拡散層は、マイクロポーラス層を有していることが知られている。例えば、特許文献1には、触媒層と接するマイクロポーラス層を有するガス拡散層を備えたMEGAが開示されている。特許文献1に記載のマイクロポーラス層は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を含み、この樹脂により、マイクロポーラス層は、膜電極接合体にて生成された生成水を撥水する撥水性を確保している。 In such MEGA, it is known that the gas diffusion layer has a microporous layer. For example, Patent Document 1 discloses MEGA including a gas diffusion layer having a microporous layer in contact with a catalyst layer. The microporous layer described in Patent Document 1 contains a polytetrafluoroethylene resin, which ensures that the microporous layer has water repellency to repel the generated water generated in the membrane electrode assembly. ..

特開2018−190584号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-190584

ところで、例えば、膜電極接合体内における水の生成とその水の移動により、電解質膜は、面方向(厚さ方向と直交する方向)に膨潤および収縮し易い。そのため、MEGAでは、触媒層およびガス拡散層で電解質膜を一体的に拘束することにより、電解質膜の膨潤および収縮を抑制している。 By the way, for example, the electrolyte membrane tends to swell and contract in the plane direction (direction orthogonal to the thickness direction) due to the generation of water in the membrane electrode junction and the movement of the water. Therefore, in MEGA, the expansion and contraction of the electrolyte membrane is suppressed by integrally restraining the electrolyte membrane with the catalyst layer and the gas diffusion layer.

しかし、特許文献1等で例示される膜電極ガス拡散層接合体では、触媒層とマイクロポーラス層との密着力を確保できない場合があり、電解質膜の膨潤および収縮に起因して、触媒層とマイクロポーラス層とが剥離するおそれがある。 However, in the membrane electrode gas diffusion layer junction exemplified in Patent Document 1 and the like, the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer may not be ensured, and due to the swelling and contraction of the electrolyte membrane, the catalyst layer and the catalyst layer may not be secured. There is a risk of peeling from the microporous layer.

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、電解質膜の膨潤および収縮に起因した触媒層とマイクロポーラス層との剥離を防止可能することができる膜電極ガス拡散層接合体を提供する。 The present invention has been made in view of these points, and as the present invention, the membrane electrode gas diffusion capable of preventing the separation between the catalyst layer and the microporous layer due to the swelling and contraction of the electrolyte membrane can be prevented. A layered body is provided.

前記課題を鑑みて、本発明に係る膜電極ガス拡散層接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟むように接合している一対の触媒層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面を挟むように接合している一対のガス拡散層と、を備えた燃料電池セル用の膜電極ガス拡散層接合体であって、前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、前記触媒層に接しているマイクロポーラス層を有し、前記触媒層は、アイオノマを含み、前記マイクロポーラス層は、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」)樹脂を含み、前記触媒層の単位面積あたりに含まれている前記アイオノマの目付量をA、前記マイクロポーラス層の単位面積あたりに含まれている前記ポリテトラフルオロエチレン樹脂の目付量をBとした場合に、下記式(1)を満たすことを特徴とする。
0.20≦A/B…式(1)
In view of the above problems, the membrane electrode gas diffusion layer assembly according to the present invention includes a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers bonded so as to sandwich both sides of the electrolyte membrane. A membrane electrode gas diffusion layer assembly for a fuel cell, comprising a pair of gas diffusion layers bonded so as to sandwich both sides of the membrane electrode assembly, wherein at least one of the pair of gas diffusion layers is , The catalyst layer has a microporous layer in contact with the catalyst layer, the catalyst layer contains an ionoma, the microporous layer contains a polytetrafluoroethylene (hereinafter, "PTFE") resin, and is a unit of the catalyst layer. When the amount of the ionoma contained per area is A and the amount of the polytetrafluoroethylene resin contained per unit area of the microporous layer is B, the following formula (1) is used. It is characterized by satisfying.
0.20 ≤ A / B ... Equation (1)

本発明によれば、触媒層のアイオノマの目付量(A)と、マイクロポーラス層のPTFE樹脂の目付量(B)とが、上記式(1)の関係を満たすことにより、触媒層とマイクロポーラス層との密着力を高めることができる。 According to the present invention, the basis weight (A) of the ionoma of the catalyst layer and the basis weight (B) of the PTFE resin of the microporous layer satisfy the relationship of the above formula (1), whereby the catalyst layer and the microporous layer are satisfied. The adhesion with the layer can be enhanced.

ここで、A/Bが0.20未満の場合には、単位面積あたりの触媒層の界面に存在するアイオノマの量に対して、単位面積あたりのマイクロポーラス層の界面に存在するPTFE樹脂の量が過剰となる。なお、ここでは、触媒層の界面とは、触媒層がマイクロポーラス層に接触する面であり、マイクロポーラス層の界面とは、マイクロポーラス層が触媒層に接触する面である。離型性(非粘着性)を有するPTFE樹脂はアイオノマと密着し難いため、過剰なPTFE樹脂の存在により、触媒層の界面のアイオノマがマイクロポーラス層に密着し難くなり、触媒層とマイクロポーラス層との密着力が低下してしまう。 Here, when A / B is less than 0.20, the amount of PTFE resin present at the interface of the microporous layer per unit area is relative to the amount of ionoma present at the interface of the catalyst layer per unit area. Becomes excessive. Here, the interface of the catalyst layer is a surface where the catalyst layer is in contact with the microporous layer, and the interface of the microporous layer is a surface where the microporous layer is in contact with the catalyst layer. Since the releasable (non-adhesive) PTFE resin is difficult to adhere to the ionoma, the presence of excess PTFE resin makes it difficult for the ionomer at the interface of the catalyst layer to adhere to the microporous layer, and the catalyst layer and the microporous layer are difficult to adhere to. Adhesion with and will decrease.

したがって、本発明では、上述した如く、上記式(1)の関係を満たすことで、触媒層とマイクロポーラス層との密着力を高めることが可能となり、電解質膜の膨潤および収縮に起因した触媒層とマイクロポーラス層との剥離を防止することができる。 Therefore, in the present invention, as described above, by satisfying the relationship of the above formula (1), it is possible to enhance the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer, and the catalyst layer caused by the swelling and contraction of the electrolyte membrane. And the microporous layer can be prevented from peeling off.

本発明の実施形態に係る膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)を備えた燃料電池の模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the fuel cell provided with the membrane electrode gas diffusion layer junction (MEGA) which concerns on embodiment of this invention. 図1に示すMEGAの模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view of MEGA shown in FIG. 参考例1〜参考例7に係る試験体の模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the test body which concerns on Reference Example 1 to Reference Example 7. ポリテトラフルオロエチレン樹脂の目付量に対するアイオノマ目付量の割合と、触媒層およびマイクロポーラス層の密着力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ratio of the ionomer basis weight to the basis weight of a polytetrafluoroethylene resin, and the adhesion of a catalyst layer and a microporous layer.

以下に、図1および図2を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池に本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In the following, as an example, a case where the present invention is applied to a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle will be described as an example, but the scope of application is not limited to such an example.

本実施形態の膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)2は、燃料電池セル1に適用されるものである。図1の如く、基本単位である燃料電池セル1が複数積層されることで、燃料電池10が形成される。各燃料電池セル1は、酸化剤ガス(例えば酸素ガス、通常は空気ガス)と、燃料ガス(例えば水素ガス)と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。まず、図1を参照して、本実施形態のMEGA2を具備した燃料電池セル1について概説する。 The membrane electrode gas diffusion layer junction (MEGA) 2 of the present embodiment is applied to the fuel cell 1. As shown in FIG. 1, a fuel cell 10 is formed by stacking a plurality of fuel cell 1s, which are basic units. Each fuel cell 1 is a solid polymer fuel cell that generates electromotive force by an electrochemical reaction between an oxidant gas (for example, oxygen gas, usually air gas) and a fuel gas (for example, hydrogen gas). First, with reference to FIG. 1, the fuel cell 1 provided with the MEGA 2 of the present embodiment will be outlined.

図1に示す燃料電池セル1は、MEGA2と、MEGA2の両面を挟持している一対のセパレータ3、3とを備えている。MEGA2は、燃料電池セル1の発電部であり、MEGA2の構成については、後述する。 The fuel cell 1 shown in FIG. 1 includes a MEGA 2 and a pair of separators 3 and 3 sandwiching both sides of the MEGA 2. The MEGA 2 is a power generation unit of the fuel cell 1, and the configuration of the MEGA 2 will be described later.

本実施形態では、各セパレータ3は、導電性やガス不透過性等に優れた金属を基材とする板状の部材であって、等脚台形の波形の形状を有し、その一面側がMEGA2(ガス拡散層7)と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ3の他面側と当接している。 In the present embodiment, each separator 3 is a plate-shaped member based on a metal having excellent conductivity, gas impermeableness, etc., and has an isosceles trapezoidal corrugated shape, and one side thereof is MEGA2. It is in contact with (gas diffusion layer 7), and the other surface side is in contact with the other surface side of the adjacent separator 3.

一方(アノード側)のセパレータ3とMEGA2との間には、燃料ガスのガス流路21が形成され、他方(カソード側)のセパレータ3とMEGA2との間には、酸化剤ガスのガス流路22が形成されている。隣接する2つの燃料電池セル1間で面接触するセパレータ3、3の間には、燃料電池セル1を冷却する冷媒(例えば、水)の流路23が形成されている。ガス流路21に燃料ガスが供給され、ガス流路22に酸化剤ガスが供給されると、燃料電池セル1内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。この電気化学反応では、アノード側の触媒層6にて生成されたプロトン(H)と水とが水和状態で電解質膜5を透過してカソード側の触媒層6にて生成水が生成される。 A gas flow path 21 for fuel gas is formed between the separator 3 and MEGA 2 on one side (anode side), and a gas flow path for oxidant gas is formed between the separator 3 and MEGA 2 on the other side (cathode side). 22 is formed. A flow path 23 for a refrigerant (for example, water) for cooling the fuel cell 1 is formed between the separators 3 and 3 that are in surface contact with each other between the two adjacent fuel cell 1s. When the fuel gas is supplied to the gas flow path 21 and the oxidant gas is supplied to the gas flow path 22, an electrochemical reaction occurs in the fuel cell 1 to generate an electromotive force. In this electrochemical reaction, protons (H + ) generated in the catalyst layer 6 on the anode side and water permeate through the electrolyte membrane 5 in a hydrated state, and generated water is generated in the catalyst layer 6 on the cathode side. To.

次に、図2を参照して、本実施形態のMEGA2について説明する。図2に示すように、MEGA2は、膜電極接合体4と、膜電極接合体4の両面を挟むように接合している一対のガス拡散層7、7とを備えている。膜電極接合体4は、電解質膜5と、電解質膜5の両面を挟むように接合している一対の触媒層6、6とを有する。 Next, MEGA2 of the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, MEGA 2 includes a membrane electrode assembly 4 and a pair of gas diffusion layers 7 and 7 bonded so as to sandwich both sides of the membrane electrode assembly 4. The membrane electrode assembly 4 has an electrolyte membrane 5 and a pair of catalyst layers 6 and 6 bonded so as to sandwich both sides of the electrolyte membrane 5.

電解質膜5は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であれば限定されるものではないが、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマーの薄膜(デュポン社製のナフィオン(商標名))を挙げることができる。 The electrolyte membrane 5 is not limited as long as it is a proton-conducting ion exchange membrane formed of a solid polymer material, but for example, a thin film of a perfluorosulfonic acid polymer (Nafion (trade name) manufactured by DuPont). ) Can be mentioned.

一対の触媒層6、6では、電解質膜5の一方側に配置された触媒層6がアノードとなり、他方側の触媒層6がカソードとなる。各触媒層6は、高分子電解質であるアイオノマと、担体粒子に触媒が担持された触媒担持担体粒子とを含む。 In the pair of catalyst layers 6 and 6, the catalyst layer 6 arranged on one side of the electrolyte membrane 5 serves as an anode, and the catalyst layer 6 on the other side serves as a cathode. Each catalyst layer 6 contains a polyelectrolyte, ionoma, and catalyst-supported carrier particles in which a catalyst is supported on carrier particles.

アイオノマとしては、プロトン伝導性を有した高分子電解質であり、以下の参考例は、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が用いられている。例えば、デュポン社製ナフィオン(商標名)、旭化成製アシプレックス(商標名)、旭硝子製フレミオン(商標名) 、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト(商標名)等が例示され、部分フッ素樹脂では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したもの等がある。また、炭化水素系プロトン交換樹脂である、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ポリイミド系樹脂等にスルホン酸基を導入したもの等がある。 The ionomer is a polymer electrolyte having proton conductivity, and the following reference example uses a perfluoro-based proton exchange resin of a fluoroalkyl copolymer having a fluoroalkyl ether side chain and a perfluoroalkyl main chain. ing. For example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass, Gore-Select (trade name) manufactured by Japan Goretex, etc. are exemplified. There are polymers of trifluorostyrene sulfonic acid and those in which a sulfonic acid group is introduced into polyvinylidene fluoride. Further, there are hydrocarbon-based proton exchange resins such as styrene-divinylbenzene copolymers and polyimide-based resins in which a sulfonic acid group is introduced.

触媒担持担体粒子の担体粒子としては、導電性を有する担体粒子であればよく、例えば、以下の参考例では、カーボンブラックを用いているが、その他にも、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはメソポーラスカーボン等の炭素材料を挙げることができる。一方、触媒担持担体粒子の触媒としては、白金や白金合金、パラジウム等の触媒金属を挙げることができる。触媒は、担体粒子の表面に担持されていてもよく、担体粒子の細孔に内包されて担持されていてもよい。 The carrier particles of the catalyst-supported carrier particles may be carrier particles having conductivity. For example, in the following reference examples, carbon black is used, but in addition, carbon nanotubes, carbon nanofibers, or mesoporous Examples include carbon materials such as carbon. On the other hand, examples of the catalyst of the catalyst-supporting carrier particles include catalyst metals such as platinum, platinum alloys, and palladium. The catalyst may be supported on the surface of the carrier particles, or may be encapsulated and supported in the pores of the carrier particles.

一対のガス拡散層7、7は、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電する層である。アノード側に配置されたガス拡散層7より、燃料ガスが提供され、カソード側に配置されたガス拡散層7より、酸化剤ガスが提供される。 The pair of gas diffusion layers 7 and 7 are layers that provide a fuel gas or an oxidant gas and collect electricity generated by an electrochemical reaction. Fuel gas is provided from the gas diffusion layer 7 arranged on the anode side, and oxidant gas is provided from the gas diffusion layer 7 arranged on the cathode side.

各ガス拡散層7は、比較的剛性があり、かつ厚みと変形性能を有する拡散層基材71と、拡散層基材71上に形成されたマイクロポーラス層72とを有している。マイクロポーラス層72は、触媒層6に接している。 Each gas diffusion layer 7 has a diffusion layer base material 71 that is relatively rigid and has thickness and deformation performance, and a microporous layer 72 formed on the diffusion layer base material 71. The microporous layer 72 is in contact with the catalyst layer 6.

拡散層基材71としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、カーボンペーパー等の炭素繊維基材、黒鉛繊維基材、または発泡金属等の導電性およびガス拡散性を有する多孔質の基材を挙げることができる。 The diffusion layer base material 71 is not particularly limited as long as it has low electrical resistance and can collect electricity, but is not particularly limited, but is conductive such as a carbon fiber base material such as carbon paper, a graphite fiber base material, or a foamed metal. Examples include porous substrates with properties and gas diffusivity.

マイクロポーラス層72は、多孔質な層であり、導電性粒子としてカーボン粒子と、撥水剤としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂とを含む。PTFE樹脂により、膜電極接合体4で生成された生成水を撥水することができる。さらに、マイクロポーラス層72は、酸化セリウム等のセリウム化合物を含んでもよく、これにより、セリウムイオンを膜電極接合体4へ供給して、発電時に生じる過酸化水素ラジカルを無害化することができる。 The microporous layer 72 is a porous layer and contains carbon particles as conductive particles and polytetrafluoroethylene (PTFE) resin as a water repellent. The PTFE resin can repel the generated water generated in the membrane electrode assembly 4. Further, the microporous layer 72 may contain a cerium compound such as cerium oxide, whereby cerium ions can be supplied to the membrane electrode assembly 4 to detoxify hydrogen hydrogen radicals generated during power generation.

PTFE樹脂は、撥水性を有するものであれば特に限定されるものではなく、繊維状のものでもよく、粒状のものでもよい。 The PTFE resin is not particularly limited as long as it has water repellency, and may be fibrous or granular.

発明者は、実験を重ねた結果、同じ材料物性の条件において、触媒層6に含まれているアイオノマとマイクロポーラス層72に含まれているPTFE樹脂との比率が、触媒層6とマイクロポーラス層72との密着性に大きく寄与することがわかった。発明者は、以下の参考例等から、これらの密着性を確保できる条件が、下記式(1)を満たすことであることを明らにした。
0.20≦A/B…式(1)
As a result of repeated experiments, the inventor found that the ratio of ionomer contained in the catalyst layer 6 to the PTFE resin contained in the microporous layer 72 was the ratio between the catalyst layer 6 and the microporous layer under the same material physical characteristics. It was found that it greatly contributed to the adhesion with 72. The inventor has clarified from the following reference examples that the condition for ensuring these adhesions is that the following formula (1) is satisfied.
0.20 ≤ A / B ... Equation (1)

ここで、A(mg/cm)は、触媒層6の単位面積あたりに含まれているアイオノマの目付量(以下、単に「アイオノマの目付量」)であり、B(mg/cm)は、マイクロポーラス層72の単位面積あたりに含まれているPTFE樹脂の目付量(以下、単に「PTFE樹脂の目付量」)である。「単位面積」とは、触媒層6またはマイクロポーラス層72の厚さ方向と直交する平面における単位面積(具体的には、1cm×1cm)のことである。そして、アイオノマの目付量とは、この単位面積の領域で触媒層6を切り取ったときに含まれるすべてのアイオノマの量のことである。一方、PTFE樹脂の目付量とは、この単位面積の領域でマイクロポーラス層72を切り取ったときに含まれるすべてのPTFE樹脂の量のことである。 Here, A (mg / cm 2 ) is the basis weight of ionoma contained in the unit area of the catalyst layer 6 (hereinafter, simply “the basis weight of ionoma”), and B (mg / cm 2 ) is. , The basis weight of the PTFE resin contained in the unit area of the microporous layer 72 (hereinafter, simply "the basis weight of the PTFE resin"). The “unit area” is a unit area (specifically, 1 cm × 1 cm) in a plane orthogonal to the thickness direction of the catalyst layer 6 or the microporous layer 72. The basis weight of ionomer is the amount of all ionomer contained when the catalyst layer 6 is cut off in the region of this unit area. On the other hand, the basis weight of the PTFE resin is the amount of all the PTFE resin contained when the microporous layer 72 is cut off in the region of this unit area.

ここでは、アイオノマの目付量およびPTFE樹脂の目付量は、後述の如く、アイオノマおよびPTFE樹脂のそれぞれが含まれるインク中の溶媒を乾燥により飛ばした後に形成された触媒層6またはマイクロポーラス層72の単位面積あたりに含まれている量である。触媒層6およびマイクロポーラス層72の厚みは薄いため、アイオノマの目付量およびPTFE樹脂の目付量のそれぞれは、単位面積あたりの触媒層6の界面に存在するアイオノマの量、および単位面積あたりのマイクロポーラス層72の界面に存在するPTFE樹脂の量に対応している。したがって、A/Bは、これらの界面におけるアイオノマとPTFE樹脂の占有率(面積の比率)に相当する。 Here, the amount of ionomer and the amount of PTFE resin are determined by the catalyst layer 6 or the microporous layer 72 formed after the solvent in the ink containing the ionomer and the PTFE resin is removed by drying, as described later. It is the amount contained per unit area. Since the thickness of the catalyst layer 6 and the microporous layer 72 is thin, the amount of ionoma and the amount of PTFE resin, respectively, are the amount of ionoma present at the interface of the catalyst layer 6 per unit area and the micro per unit area. It corresponds to the amount of PTFE resin present at the interface of the porous layer 72. Therefore, A / B corresponds to the occupancy rate (area ratio) of ionomer and PTFE resin at these interfaces.

ここで、A/Bが0.20未満の場合には、後述するように、単位面積あたりの触媒層6の界面に存在するアイオノマの量に対して、単位面積あたりのマイクロポーラス層72の界面に存在するPTFE樹脂の量が過剰となる。アイオノマと密着し難いPTFE樹脂が過剰に存在にするため、触媒層6の界面のアイオノマがマイクロポーラス層72に密着し難くなり、触媒層6とマイクロポーラス層72との密着力が低下する。後述する参考例からも明らかなように、より好ましくは、A/Bは、0.23以上であり、A/Bの上限値は0.40以下であってもよい。 Here, when A / B is less than 0.20, as will be described later, the interface of the microporous layer 72 per unit area is relative to the amount of ionoma existing at the interface of the catalyst layer 6 per unit area. The amount of PTFE resin present in is excessive. Since the PTFE resin, which is difficult to adhere to the ionomer, is excessively present, the ionomer at the interface of the catalyst layer 6 is difficult to adhere to the microporous layer 72, and the adhesion between the catalyst layer 6 and the microporous layer 72 is reduced. As will be clear from the reference examples described later, more preferably, the A / B may be 0.23 or more, and the upper limit of the A / B may be 0.40 or less.

本実施形態では、上記式(1)の関係を満たすことで、触媒層6とマイクロポーラス層72との密着力を高めることが可能となり、電解質膜5の膨潤および収縮に起因して、触媒層6とマイクロポーラス層72とが剥離することを防止することができる。結果として、電解質膜5の耐久性を向上することができる。 In the present embodiment, by satisfying the relationship of the above formula (1), it is possible to increase the adhesion between the catalyst layer 6 and the microporous layer 72, and the catalyst layer is caused by the swelling and contraction of the electrolyte membrane 5. It is possible to prevent the 6 and the microporous layer 72 from peeling off. As a result, the durability of the electrolyte membrane 5 can be improved.

次に、本実施形態のMEGA2の製造方法について概説する。MEGA2の製造方法では、まず、膜電極接合体4と一対のガス拡散層7、7とを準備する。準備した膜電極接合体4を形成する際、触媒担持担体粒子と、アイオノマと、溶媒(例えば、水、アルコール等)とを混合して触媒インクを調合する。 Next, the manufacturing method of MEGA2 of the present embodiment will be outlined. In the method for producing MEGA2, first, a membrane electrode assembly 4 and a pair of gas diffusion layers 7 and 7 are prepared. When forming the prepared membrane electrode assembly 4, the catalyst-supported carrier particles, ionoma, and a solvent (for example, water, alcohol, etc.) are mixed to prepare a catalyst ink.

次いで、調合した触媒インクを電解質膜5の両面に塗布した後、温風乾燥炉等で乾燥させることで、触媒層6を形成する。塗布方法としては、スプレー法、コーター法、またはドクターブレード法等を適用してよい。本実施形態では、触媒インクの塗布および乾燥の後、アイオノマの目付量A(mg/cm)が上記式(1)を満たすように調整する。なお、上述の如く、アイオノマの目付量は、触媒インクの溶媒を乾燥により飛ばした後に形成された触媒層6の単位面積あたりに含まれている量である。このようにして、電解質膜5の両面に触媒層6、6を接合した膜電極接合体4を形成する。 Next, the prepared catalyst ink is applied to both surfaces of the electrolyte membrane 5 and then dried in a warm air drying furnace or the like to form the catalyst layer 6. As a coating method, a spray method, a coater method, a doctor blade method, or the like may be applied. In the present embodiment, after the catalyst ink is applied and dried, the basis weight A (mg / cm 2 ) of the ionomer is adjusted so as to satisfy the above formula (1). As described above, the basis weight of ionomer is the amount contained in the unit area of the catalyst layer 6 formed after the solvent of the catalyst ink is blown off by drying. In this way, a membrane electrode assembly 4 in which the catalyst layers 6 and 6 are bonded to both surfaces of the electrolyte membrane 5 is formed.

一対のガス拡散層7、7のそれぞれは、同様の方法で形成することができる。具体的には、カーボン粒子、PTFE樹脂、溶媒(例えば、水等)、および必要に応じて界面活性剤を混合してマイクロポーラス層用のインクを調合する。なお、マイクロポーラス層用のインクには、さらに酸化セリウムを含ませてもよい。 Each of the pair of gas diffusion layers 7 and 7 can be formed in the same manner. Specifically, carbon particles, PTFE resin, a solvent (for example, water, etc.), and, if necessary, a surfactant are mixed to prepare an ink for a microporous layer. The ink for the microporous layer may further contain cerium oxide.

次いで、調合したマイクロポーラス層用のインクを拡散層基材71上に塗布し、ホットプレート等を使用して乾燥させ、焼成することでマイクロポーラス層72を形成する。塗布方法としては、上述した触媒インクと同様の方法を適用してよい。本実施形態では、マイクロポーラス層用のインクの塗布および乾燥の際、PTFE樹脂の目付量が上記式(1)を満たすように調整する。なお、上述の如く、PTFE樹脂の目付量は、マイクロポーラス層用のインクの溶媒を乾燥により飛ばした後に形成されたマイクロポーラス層72の単位面積あたりに含まれている量である。このようにして、拡散層基材71上にマイクロポーラス層72が接合されたガス拡散層7を形成する。 Next, the prepared ink for the microporous layer is applied onto the diffusion layer base material 71, dried using a hot plate or the like, and fired to form the microporous layer 72. As the coating method, the same method as the above-mentioned catalyst ink may be applied. In the present embodiment, when the ink for the microporous layer is applied and dried, the basis weight of the PTFE resin is adjusted so as to satisfy the above formula (1). As described above, the basis weight of the PTFE resin is the amount contained in the unit area of the microporous layer 72 formed after the solvent of the ink for the microporous layer is blown off by drying. In this way, the gas diffusion layer 7 to which the microporous layer 72 is bonded is formed on the diffusion layer base material 71.

次いで、準備した膜電極接合体4の両面を、準備した一対のガス拡散層7、7で挟み込むように、これらを接合する。接合の際、膜電極接合体4の触媒層6と、ガス拡散層7のマイクロポーラス層72とが向かい合わせとなるように、膜電極接合体4の両面を一対のガス拡散層7、7で挟み込み、この状態で、熱圧プレスを行う。熱圧プレスの条件は、触媒層6とマイクロポーラス層72とが接合可能であれば特に限定されるものではない。このようにして、MEGA2を製造する。なお、このMEGA2の両面にセパレータ3、3を配することで燃料電池セル1を製造することができる。 Next, both sides of the prepared membrane electrode assembly 4 are joined so as to be sandwiched between the prepared pair of gas diffusion layers 7 and 7. At the time of bonding, both sides of the membrane electrode assembly 4 are formed by a pair of gas diffusion layers 7 and 7 so that the catalyst layer 6 of the membrane electrode assembly 4 and the microporous layer 72 of the gas diffusion layer 7 face each other. It is sandwiched and hot-pressed in this state. The conditions of the hot pressure press are not particularly limited as long as the catalyst layer 6 and the microporous layer 72 can be bonded. In this way, MEGA2 is manufactured. The fuel cell 1 can be manufactured by arranging the separators 3 and 3 on both sides of the MEGA 2.

発明者らは、図3に示す如く、触媒層とマイクロポーラス層とを接合させた参考例1〜参考例7に係る試験体を作製して、触媒層とマイクロポーラス層との密着力において、アイオノマの目付量とPTFE樹脂の目付量との関係性を規定した。 As shown in FIG. 3, the inventors prepared the test pieces according to Reference Examples 1 to 7 in which the catalyst layer and the microporous layer were bonded, and in terms of the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer, the inventors prepared the test specimens. The relationship between the basis weight of ionomer and the basis weight of PTFE resin was specified.

<参考例1>
アイオノマの目付量が0.14mg/cmである触媒層と、PTFE樹脂の目付量が0.35mg/cmであるマイクロポーラス層とをそれぞれ作製して、作製した触媒層とマイクロポーラス層とを熱圧着し、図3に示す試験体を作製した。次いで、試験体に対して90°剥離試験法を実施して、触媒層とマイクロポーラス層との密着力を測定した。
<Reference example 1>
A catalyst layer basis weight of the ionomer is 0.14 mg / cm 2, and basis weight of the PTFE resin is produced respectively a microporous layer is 0.35 mg / cm 2, the catalyst layer and the microporous layer prepared Was heat-bonded to prepare a test piece shown in FIG. Next, a 90 ° peeling test method was carried out on the test piece, and the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer was measured.

<参考例2〜参考例4>
参考例2〜参考例4は、アイオノマの目付量を一定にして、PTFE樹脂の目付量を振った試験体である。具体的には、PTFE樹脂の目付量以外は、参考例1と同様にして参考例2〜参考例4の試験体を作製し、90°剥離試験法を実施して、密着力を測定した。参考例2〜参考例4のPTFE樹脂の目付量は、それぞれ、0.53mg/cm、0.70mg/cm、1.40mg/cmである。
<Reference Example 2 to Reference Example 4>
Reference Example 2 to Reference Example 4 are test specimens in which the basis weight of ionomer is constant and the basis weight of PTFE resin is shaken. Specifically, the test pieces of Reference Examples 2 to 4 were prepared in the same manner as in Reference Example 1 except for the basis weight of the PTFE resin, and the 90 ° peeling test method was carried out to measure the adhesion. Basis weight of the PTFE resin of Reference Example 2 to Reference Example 4, respectively, 0.53mg / cm 2, 0.70mg / cm 2, is 1.40 mg / cm 2.

<参考例5〜参考例7>
参考例5〜参考例7は、PTFE樹脂の目付量を一定にして、アイオノマの目付量を振った試験体である。具体的には、アイオノマの目付量以外は、参考例2と同様にして参考例5〜参考例7の試験体を作製し、90°剥離試験法を実施して、密着力を測定した。参考例5〜参考例7のアイオノマの目付量は、それぞれ、0.12mg/cm、0.15mg/cm、0.17mg/cmである。
<Reference Example 5 to Reference Example 7>
Reference Examples 5 to 7 are test specimens in which the basis weight of the PTFE resin is constant and the basis weight of ionomer is shaken. Specifically, the test pieces of Reference Examples 5 to 7 were prepared in the same manner as in Reference Example 2 except for the basis weight of ionomer, and the 90 ° peeling test method was carried out to measure the adhesion. Basis weight of the ionomer of Example 5 to Example 7, respectively, 0.12mg / cm 2, 0.15mg / cm 2, is 0.17 mg / cm 2.

参考例1〜参考例7に係るアイオノマの目付量(A)、PTFE樹脂の目付量(B)、PTFE樹脂の目付量に対するアイオノマの目付量の割合(A/B)、および密着力を表1に示す。また、PTFE樹脂の目付量に対するアイオノマの目付量の割合と、触媒層およびマイクロポーラス層の密着力との関係を示すグラフを図4に示す。なお、後述するように、参考例1〜3および参考例5〜7が参考実施例に相当し、参考例4が参考比較例に相当する。 Table 1 shows the basis weight of ionoma (A), the basis weight of PTFE resin (B), the ratio of the basis weight of ionoma to the basis weight of PTFE resin (A / B), and the adhesion according to Reference Examples 1 to 7. Shown in. Further, FIG. 4 shows a graph showing the relationship between the ratio of the basis weight of ionomer to the basis weight of the PTFE resin and the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer. As will be described later, Reference Examples 1 to 3 and Reference Examples 5 to 7 correspond to Reference Examples, and Reference Example 4 corresponds to Reference Comparative Example.

Figure 2021190176
Figure 2021190176

図4からわかるように、PTFE樹脂の目付量Bに対するアイオノマ目付量Aの割合(A/B)が0.20以上の範囲にあるときに、触媒層とマイクロポーラス層との密着力が上昇した。一方、A/Bが0.20未満の場合には、密着力が低下した。A/Bが0.20未満の場合には、単位面積あたりの触媒層の界面に存在するアイオノマの量に対して、単位面積あたりのマイクロポーラス層の界面に存在するPTFE樹脂の量が多くなりすぎる。撥水性を有するPTFE樹脂はアイオノマと密着し難いため、過剰なPTFE樹脂の存在により、触媒層の界面のアイオノマがマイクロポーラス層に密着し難くなり、触媒層とマイクロポーラス層との密着力が低下すると考えられる。 As can be seen from FIG. 4, when the ratio (A / B) of the ionomer basis weight A to the basis weight B of the PTFE resin is in the range of 0.20 or more, the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer increased. .. On the other hand, when the A / B was less than 0.20, the adhesion was reduced. When A / B is less than 0.20, the amount of PTFE resin present at the interface of the microporous layer per unit area is larger than the amount of ionoma present at the interface of the catalyst layer per unit area. Too much. Since the water-repellent PTFE resin is difficult to adhere to the ionomer, the presence of excess PTFE resin makes it difficult for the ionomer at the interface of the catalyst layer to adhere to the microporous layer, and the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer is reduced. It is thought that.

したがって、上記式(1)の関係を満たすことで、触媒層とマイクロポーラス層との密着力を高めることが可能となり、電解質膜の膨潤および収縮に起因して、触媒層とマイクロポーラス層とが剥離することを防止することができる。結果として、電解質膜の耐久性を向上することができる。 Therefore, by satisfying the relationship of the above formula (1), it is possible to enhance the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer, and due to the swelling and contraction of the electrolyte membrane, the catalyst layer and the microporous layer are separated from each other. It is possible to prevent peeling. As a result, the durability of the electrolyte membrane can be improved.

なお、マイクロポーラス層の界面には、主としてPTFE樹脂とカーボン粒子とが存在しているため、この界面では、単位面積あたりのPTFE樹脂の量が増加すると、単位面積あたりのカーボン粒子の量が減少する。したがって、PTFE樹脂の増加により、触媒層とマイクロポーラス層との密着力が低下することから、触媒層の界面のアイオノマがマイクロポーラス層の界面のカーボン粒子に密着することにより、触媒層とマイクロポーラス層との密着力が発現すると考えられる。 Since the PTFE resin and carbon particles are mainly present at the interface of the microporous layer, when the amount of PTFE resin per unit area increases at this interface, the amount of carbon particles per unit area decreases. do. Therefore, as the amount of PTFE resin increases, the adhesion between the catalyst layer and the microporous layer decreases. Therefore, the ionomer at the interface of the catalyst layer adheres to the carbon particles at the interface of the microporous layer, so that the catalyst layer and the microporous layer adhere to each other. It is considered that the adhesion with the layer is developed.

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various aspects are described within the scope of the claims as long as the spirit of the present invention is not deviated. It is possible to make design changes.

例えば、上述の実施形態では、一対のガス拡散層の双方が、触媒層と接しているマイクロポーラス層を有する例を説明したが、これに限定されるものではなく、一対のガス拡散層の少なくとも一方が、触媒層と接するマイクロポーラス層を有しもよい。 For example, in the above embodiment, an example in which both of the pair of gas diffusion layers have a microporous layer in contact with the catalyst layer has been described, but the present invention is not limited to this, and at least one of the pair of gas diffusion layers is described. One may have a microporous layer in contact with the catalyst layer.

1:燃料電池セル、2:膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)、4:膜電極接合体、5:電解質膜、6:触媒層、7:ガス拡散層、72:マイクロポーラス層 1: Fuel cell, 2: Membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA), 4: Membrane electrode assembly, 5: Electrolyte membrane, 6: Catalyst layer, 7: Gas diffusion layer, 72: Microporous layer

Claims (1)

電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟むように接合された一対の触媒層と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面を挟むように接合された一対のガス拡散層と、
を備えた燃料電池セル用の膜電極ガス拡散層接合体であって、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、前記触媒層に接しているマイクロポーラス層を有し、
前記触媒層は、アイオノマを含み、
前記マイクロポーラス層は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を含み、
前記触媒層の単位面積あたりに含まれている前記アイオノマの目付量をA、前記マイクロポーラス層の単位面積あたりに含まれている前記ポリテトラフルオロエチレン樹脂の目付量をBとした場合に、下記式(1)を満たすことを特徴とする膜電極ガス拡散層接合体。
0.20≦A/B…式(1)
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers bonded so as to sandwich both sides of the electrolyte membrane.
A pair of gas diffusion layers bonded so as to sandwich both sides of the membrane electrode assembly,
Membrane electrode gas diffusion layer junction for fuel cell with
At least one of the pair of gas diffusion layers has a microporous layer in contact with the catalyst layer.
The catalyst layer contains ionomer.
The microporous layer contains a polytetrafluoroethylene resin and contains.
When the amount of the ionoma contained in the unit area of the catalyst layer is A and the amount of the polytetrafluoroethylene resin contained in the unit area of the microporous layer is B, the following A membrane electrode gas diffusion layer bonded body characterized by satisfying the formula (1).
0.20 ≤ A / B ... Equation (1)
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