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JP3714766B2 - Electrode and membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Electrode and membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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JP3714766B2
JP3714766B2 JP10085497A JP10085497A JP3714766B2 JP 3714766 B2 JP3714766 B2 JP 3714766B2 JP 10085497 A JP10085497 A JP 10085497A JP 10085497 A JP10085497 A JP 10085497A JP 3714766 B2 JP3714766 B2 JP 3714766B2
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Description

【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、特には電極及び膜・電極接合体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、電池内で水素やメタノール等を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものであり、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。特に、固体高分子型燃料電池は他と比較し低温で作動することから、自動車用としての代替動力源として期待されている。
【0003】
かか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一対のガス拡散電極が接合されたものである。すなわち、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード触媒層、他方の面にはカソード触媒層が設けられ、さらに両面のその外側には一対のガス拡散層が隣接してなる構造を有する。アノード及びカソード触媒層は従来、電極触媒を担持させたカーボンブラックの粉末と、プロトン伝導性を有するポリマー、撥水性を有するポリマーとからなる混合物をシート化したものであり、固体高分子電解質膜にはホットプレスにより接合される。
【0004】
アノードとしてのガス拡散電極側には燃料(例えば水素)、カソードとしてのガス拡散電極側には酸化剤(例えば酸素や空気ガス)をそれぞれ供給し、両電極間を外部回路で接続することにより燃料電池として作動する。すなわち、アノードにおいては、燃料の酸化によりプロトンと電子が生じ、このプロトンは固体電解質内を通過してカソード側に移動する。一方、電子は外部回路を通ってカソードに到達する。カソードでは、かかるプロトン及び電子と酸化剤中の酸素で水が生成され、この時電気エネルギーを取り出すことが出来る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
プロトンが固体高分子電解質膜内を円滑に移動するためには、水を必要とするため、燃料は、加湿して水とともにアノードへ供給される。カソードで生成された水や膜内を移動してきた過剰な水は、酸化剤とともに電極外部に放出される。触媒層内は、高い触媒利用率を得るため、特開平6−333574号公報に記載されているように、例えば市販されている米国アルドリッチ社製の「ナフィオン(5重量%溶液)」のような高い含水率を有するプロトン伝導性ポリマーが均一に分散されている。そのため、撥水性ポリマーを含んだ場合においても触媒層内から水が円滑に層外・ガス拡散層外へ排出されにくい。燃料電池の運転を継続している間触媒層内やガス拡散層内には水が徐々に滞留してゆき、また高電流密度で行なうほど、水の蓄積は進み、触媒層への酸化剤供給が大きく阻害されてしまう。その結果、電気化学反応の抵抗が極めて大きくなり、取り出しうる電池電圧の大幅な低下、スタックにおいてはセル間での電圧バラツキの拡大化という問題を引き起こしている。
【0006】
燃料、酸化剤を加圧し、燃料電池作動圧力を高くして運転することにより、電極の反応効率は上昇するものの、ガス流速低下により生成水等の排出能では逆に低下してしまうため、電池特性の改善は期待出来ない。
触媒層内に分散させる撥水性ポリマーの量を多くすることは、逆に触媒利用率の大幅な低下、出力電圧の低下を引き起こすために限界があり、大幅な撥水性向上は望めない。また、プロトン伝導性ポリマーが含まれているため、PTFEのような撥水性ポリマーを触媒層内に分散させた後に、例えば特公平5−20868号公報に記載されているような高温処理を行うことは不可能であるため、撥水性ポリマーの有効なマトリックスを形成することは出来ない。
本発明は、このような従来技術の課題に着目してなされたものであり、触媒層内の水の排出能を向上させ、反応ガスの触媒層内拡散への水の影響を排除し、高電流密度領域においても安定した電池電圧を示す固体高分子型燃料電池用の電極及び膜・電極接合体を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極において、その触媒層が、EWの異なる少なくとも2種類のプロトン伝導性ポリマーを含むことを特徴とする電極を提供する。また、固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体において、
EWが700〜1500である固体高分子膜と、EWの異なる少なくとも2種類のプロトン電導性ポリマーを含む触媒層を有する電極とからなることを特徴とする膜・電極接合体を提供する。これらの電極、膜・電極接合体を作製することにより、安定した電池電圧が得られることを見出し、本発明に至った。
即ち、本発明は、
1.固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極において、アノード触媒層とカソード触媒層が共に、該触媒層内に均一に分散されたEWの差が20〜800である少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を含むことを特徴とする電極、
2.上記少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体が、予め触媒分散液に順次あるいは同時に投入することにより、該触媒層内に均一に分散されたものであることを特徴とする上記1.記載の電極、
3.上記EWの差が50〜600であることを特徴とする上記1.又は2記載の電極、
4.固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体において、EWが700〜1500である固体高分子膜と、アノード触媒層とカソード触媒層が共に、該触媒層内に均一に分散されたEWの差が20〜800である少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を含む触媒層を有する電極とからなることを特徴とする膜・電極接合体、
5.上記少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体が、予め触媒分散液に順次あるいは同時に投入することにより、該触媒層内に均一に分散されたものであることを特徴とする上記4.記載の膜・電極接合体、
6.上記EWの差が50〜600であることを特徴とする上記4.又は5記載の膜・電極接合体、
7.固体高分子膜と触媒層が接する界面に、固体高分子膜と異なるEWのプロトン伝導性ポリマーの層を有する上記4.〜6.のいずれかに記載の膜・電極接合体、
である。
【0008】
触媒層内にプロトン伝導性ポリマーを分散させる操作は、触媒の利用率を大きく向上することのためのものであるが、その効果をより発揮させるためには、プロトン伝導性の高いポリマー、すなわちEWのより低いポリマーが使用されることが望ましい。プロトン伝導性ポリマーとしては、上記のナフィオンに代表されるパーフルオロスルホン酸ポリマーが広く用いられている。例えば、このパーフルオロスルホン酸ポリマーにおいては、より低EWの、高いプロトン伝導性を有するポリマーは、相対的に高い親水性を示し、高い含水率からなる。電池反応において、アノード触媒上で酸化されたプロトンは、高いプロトン伝導性を有するポリマー内を通って膜に到達し、同じく伝導性を有する膜内を通過してカソード側に移動した後、再び、触媒層内に分散された高いプロトン伝導性ポリマー内を通ってカソード触媒上に達する。ここを三相界面として、酸化剤反応ガスとしての酸素ガス、外部回路を通ってきた電子と再び反応して水を生成する。ここで、生成された水は、触媒活性点上から、同じく触媒層内に分散された、より高EWの、より含水率の低いポリマーへ速やかに移動し、この通路を利用して触媒層からガス拡散層、電極外へと排出される。このようにして、電池反応触媒活性点においては、高い反応率を保持しつつ、かつ高い生成水排出能を有した電極とすることが出来るものである。
【0009】
ここで、上記に言うEWとは、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「g/ew」の単位で表される。本発明に言う、プロトン伝導性ポリマーの、最も高いEWと最も低いEWの差は、好ましくは20以上あれば本発明の効果を示しうるものであり、50以上あればより好ましく、100以上あれば特に好ましい。また、3種以上のプロトン伝導性ポリマーを含む場合の最も近い数値同志のEWの差として、20以上あれば本発明の効果を享受することができる。EWの差の上限は、800以下であれば好ましく、600以下であればより好ましく、400以下であれば特に好ましい。
【0010】
プロトン伝導性ポリマーのEWは、少なくとも700以上であれば良く、より好ましくは800以上である。そして、1500以下であることが好ましく、1300以下であることがより好ましい。700以下では親水性が高すぎて、水の円滑な移動ができなくなり、1500以上ではプロトン伝導性が低すぎるため、本発明の効果を示し得なくなる。
プロトン伝導性ポリマーは、プロトンを伝導するポリマーであれば良く、好ましくは、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうちから1種を有するものである。また、ポリオレフィンの様な炭化水素を骨格とするものも使用可能である。
【0011】
含フッ素高分子としては、例えば、テトラフルオロエチレン、トリフルオロモノクロロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、1,1−ジフルオロ−2,2−ジクロロエチレン、1,1−ジフルオロ−2−クロロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロピレン、オクタフルオロイソブチレン、エチレン、塩化ビニル、及びアルキルビニルエステル等の第一群のモノマーと、下記一般式(1)、
Y−(CF2 a −(CFRf b −(CFR´f c −O−−〔CF(CF2 X)−CF2 −O〕n −CF=CF2 ・・・ (1)
(式中、Yは−SO2 F、−SO3 NH、−COOH、−CN、−COF、−COOR(Rは炭素数1〜10のアルキル基)、−PO3 2 、−PO3 Hであり、aは0〜6、bは0〜6の整数、cは0または1であり、但しa+b+cは0に等しくはならない。Xはn>1の時、Cl、Br、Fまたはそれらの混合物であり、nは0〜6である。Rf 及びR´f は独立にF、Cl、約1〜10個の炭素原子を有するパーフルオロアルキル基及び1〜10個の炭素原子を有するフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される。)で表される第二群のモノマーから選ばれた、第二群モノマーを必須とする2種あるいは3種以上のモノマーの共重合体、上記第二群の1種以上の重合体などである。特には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体であることが好ましい。
【0012】
重合体は、モノマー2分子以上結合しておれば良いが、耐久性の観点からその分子量は5000以上が好ましい。さらに、重合体と低分子量化合物を混合して用いることにより、EWを適宜調節することも可能である。
上記に述べられたようなプロトン伝導性ポリマーは、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類、N,N’−ジメチルアセトアミド、N,N’−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の極性溶媒、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類、及び上記溶媒群から選ばれた2種類以上の混合物、さらには上記溶媒群と水との混合物などに溶解させて用いることができる。特には、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の低級アルコールの単独もしくは2種以上の溶媒と水との混合物が好ましい。さらには、上記溶媒群の少なくとも1種と、フルオロカーボンや含フッ素アルコール等の含フッ素化合物との混合溶媒も使用可能である。
【0013】
溶解されたプロトン伝導性ポリマー溶液の濃度は、ガス拡散電極の触媒層内に分散された時に、触媒表面に適切なプロトン伝導性ポリマーの被覆が形成されやすい、3〜20重量%の範囲が好ましい。この濃度が高すぎるとポリマーの触媒層内における分散性が悪くなるとともに、上記被覆の厚みが大きくなりすぎて、三相界面が不均一化・触媒利用率の低下を来たし、本発明の効果を発揮できなくなる場合がある。また、濃度が低すぎると、触媒表面へのプロトン伝導性ポリマー被覆が、均一かつ充分な厚みを得られなくなったり、多孔質の触媒層シート表面にプロトン伝導性ポリマー溶液を塗布して触媒層内に分散させる場合、液の粘度が低すぎるために該ポリマーが局部的に集中してしまうため好ましくない。
【0014】
アノード、カソード触媒層に用いられる電極触媒材料としては、水素の酸化反応及び酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば良く、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属またはそれらの合金から選択することができる。
【0015】
上記触媒の粒径は10〜300Åが好ましく、さらには15〜100Åがより好ましい。10Å以下では、現実的に製作が困難であり、300Å以上では触媒利用率が低下してしまい、高い電池電圧は得られない。これらの触媒粒子は、カーボンブラック等の電導性材料に担持されても良い。触媒の担持量は、触媒層シートを形成した状態で0.01〜5mg/cm2 であり、より好ましくは0.1〜1mg/cm2 である。0.01mg/cm2 未満では有効的に触媒の性能が発揮できず、5mg/cm2 以上ではコストが非常に大きくなることと、性能的にも量相当分の効果が見られなくなる。
【0016】
本発明に言う触媒層は、前記触媒材料、プロトン伝導性ポリマー、カーボンブラック等の電導性材料から構成されるものであり、必要に応じてPTFE等の撥水性材料や結着剤が含まれていても良い。プロトン伝導性ポリマーを触媒層内に分散させる方法としては、上記触媒層構成材料を混合・成型し触媒層としても良いし、予めプロトン伝導性ポリマー以外の他の構成材料を混合・成型し触媒層とした後に、プロトン伝導性ポリマーを含浸させても良い。
導電性材料としては電子伝導性物質であれば良く、例えば炭素材料として上記に挙げたファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラックの他、活性炭、黒鉛、また各種金属も適用できるものである。
【0017】
パーフルオロスルホン酸等のプロトン伝導性ポリマーは、ポリマー自体に結着剤としての機能も有しており、触媒層内で触媒粒子、電導性粒子との充分な安定性のあるマトリックスを形成させることは可能である。また、結着剤としての機能の他に撥水性を付与させる目的から、例えばフッ素を含んだ各種樹脂を用いることも可能である。フッ素樹脂では、融点が400℃以下のものが好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体などが挙げられる。
【0018】
また、触媒層と固体高分子膜の接する界面に、触媒層内のプロトン伝導性ポリマーや固体高分子膜とは異なるEWのプロトン伝導性ポリマーの層を形成させる時、特にはカソード側には固体高分子膜よりも高EW、アノード側には固体高分子膜よりも低EWとすることにより、親水性あるいは疎水性の差を利用し、燃料や酸化剤の加湿が不充分な場合や電池の運転電流密度が低い場合、あるいは運転停止時においても、膜内の水を保持し、高いプロトン伝導性を維持させることも可能である。この層の厚みは、0.05〜30μm、より好ましくは0.1〜10μmである。0.05μm以下では、上記の充分な機能の効果を得ることが出来ない。一方、30μm以上では、抵抗が大きくなってしまい適さない。プロトン伝導性ポリマー層のEWは、少なくとも700以上であれば良く、より好ましくは800以上である。そして、1500以下であることが好ましく、1300以下であることがより好ましい。700以下では親水性が高すぎて、水の円滑な移動が出来なくなり、1500以上ではプロトン伝導性が低すぎるため、本発明の効果を示し得なくなる。かかる界面のプロトン伝導性ポリマー層と固体高分子膜とのEWの差は、好ましくは20以上あれば本発明の効果を示しうるものであり、50以上あればより好ましく、100以上あれば特に好ましい。また、3種以上のプロトン伝導性ポリマーを含む場合の最も近い数値同志のEWの差としては、20以上あれば本発明の効果を享受することができる。EWの差の上限は、800以下であれば好ましく、600以下であればより好ましく、400以下であれば特に好ましい。
【0019】
本発明において固体高分子電解質として用いられる膜は、前記のプロトン伝導性ポリマーと同じ材料を使用することができる。すなわち、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうちから1種を有するものが好ましい。また、ポリエチレン等のポリオレフィン膜にスルホン酸基やカルボン酸基を有する単量体をグラフト重合反応等で導入した膜も使用可能である。含フッ素膜としては、例えば前記第一群のモノマーと前記第二群のモノマーから選ばれた、第二群モノマーを必須とする2種以上、通常は2乃至3の共重合体である。これらの膜には、より高いEWのフィルムで積層化することにより機械強度を補強する方法の他、フィブリル状、織布状、不織布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。
これらの膜のEWは、700以上であれば良く、より好ましくは800以上である。そして、1500以下であることが好ましく、1300以下であることがより好ましい。700未満では、プロトン伝導性はより良くなるものの膜の機械強度が低下するため、実用的ではない。1500以上では、機械強度はより向上するもののプロトン伝導性が低くなり電池電圧の低下が生じるため、やはり好ましくない。
【0020】
固体高分子電解質膜のEWは、膜両面に接する触媒層中に分散されるプロトン伝導性ポリマーのEWとの差が800以下であれば良く、600以内であればより好ましい。800以上では、膜と触媒層との密着性が充分ではなくなるため好ましくない。触媒層は、一般的に知られている各種方法−噴霧法、転写法、スクリーン印刷法、ローリング法等により作製が可能である。エタノール等の低級アルコールを主成分とする溶媒に溶解させたプロトン伝導性ポリマー、触媒、電導性材料、及び/または撥水性ポリマーからなる触媒分散液を充分攪拌した後、例えば転写法では、PTFEのような円滑なシート上に、ある形状の面積に触媒分散液を塗布・乾燥することにより触媒層を形成させる。この時、少なくとも2種類以上のプロトン伝導性ポリマーを、予めかかる触媒分散液に順次あるいは同時に投入し、均一にプロトン伝導性ポリマーが分散された触媒層とすることが出来る。
【0021】
触媒層内に分散させるプロトン伝導性ポリマーの量は、触媒担持量に対し、重量比で0.1〜10の範囲である。対触媒重量比0.1以下では、反応活性点の低下により充分な触媒利用率が得られなくなる。一方、同重量比が10以上になると、プロトン伝導性ポリマーによる親水性の影響が大きくなり、本発明の効果が得られなくなる。
次に、固体高分子電解質膜の両面に、触媒層を形成させたシートの触媒層面を膜側にして重ね合わせ、加温・加熱下、触媒層を固体高分子電解質膜に接合させる。かかる接合時の圧力及び温度は、固体高分子電解質膜、プロトン伝導性ポリマー、触媒、電導性材料が相互に充分な密着性を付加される条件から選択されるものである。特に、パーフルオロスルホン酸ポリマーを固体高分子電解質膜として用いる場合、ガラス転移点以上であれば良く、好ましい接合温度は120〜200℃である。
【0022】
プロトン伝導性ポリマーは、最終的にプロトン型でなければ充分な伝導性を得ることが出来ないが、接合時における固体高分子膜やプロトン伝導性ポリマーの耐熱性を向上させるために、ナトリウムやカリウム等の一価の金属イオン、あるいは二価、三価の金属に置換して、熱処理を行ない、最終的にプロトン型にすることも有効な方法である。
【0023】
触媒層を固体高分子膜に接合した後に、さらに触媒層支持体としてカーボンペーパーやカーボンクロス等の電気伝導性多孔質織布・不織布と接合、もしくは重ね合わせることにより、膜・電極接合体として燃料電池セルに組み込むことが出来る。カーボンペーパーやカーボンクロスは、拡散層と同様に、ポリテトラフロロエチレン樹脂を含浸させることにより、必要に応じて撥水性を付与しうる。電気伝導性多孔質織布や不織布の空孔率は、50%以上あれば充分な物質交換の機能を有する。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明は実施例に制限されるものではない。
【実施例】
(実施例1)
40重量%の白金触媒担持カーボン(米国E−TEK社製)に、プロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5重量%溶液(旭化成工業(株)製、EW=910、溶媒組成はエタノール/水=50/50)を、白金触媒とポリマーとの重量比が4対1となるように添加し、均一に分散させペースト状にした後に、同じくEW=1030のプロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5重量%溶液(旭化成工業(株)製、溶媒組成は同上)をポリマー重量として同じ量添加し、再び均一に分散させてペーストを調製した。このペーストを200メッシュのスクリーンを用い、ポリテトラフロロエチレンシート上に塗布した後、大気雰囲気中100℃で乾燥・固定化し、白金担持量0.2mg/cm2 の触媒シートを得た。
【0025】
こうして得た触媒層シート2枚を向かい合わせ、その間に、EW=950、厚みが100μmのパーフルオロスルホン酸膜(旭化成工業(株)製)をはさみ、150℃、圧力50kg/cm2 でホットプレスした後、両面のポリテトラフロロエチレンシートを剥がし、膜・電極接合体を作製した。
触媒層支持体として、厚さ約400μmのカーボンクロス(E−TEK社製)を用い、テトラフロロエチレン分散液(60重量%)に浸漬した後、340℃でシンタリングを行い、カーボンクロスに対し40重量%含浸させた。その空隙率は50%であった。
【0026】
これら膜・電極接合体と触媒層支持体を、燃料電池単セル評価装置に組み込み、燃料に水素ガス、酸化剤に空気ガスを用い、常圧、セル温度70℃で単セル特性試験を行った。水素ガスは80℃で加湿を行ない、また空気ガスは加湿せずそのままセルへ供給した。0.5、1.0A/cm2 の電流密度の時、0.66V、0.51Vがそれぞれ得られた。以下の実施例、比較例も同じ膜・電極接合方法、拡散層、単セル運転条件で試験を実施した。
【0027】
(実施例2)
40重量%の白金触媒担持カーボン(米国E−TEK社製)と、プロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5重量%溶液(旭化成工業(株)製、EW=950、溶媒組成はエタノール/水=50/50)を、白金触媒とポリマーとの重量比4対1で混合・攪拌した後、真空中100℃で乾燥させ、ポリマー被覆白金触媒を予め作製した。さらに、このポリマー被覆白金触媒と、EW=1030のプロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5重量%溶液(旭化成工業(株)製、溶媒組成は同上)を、白金触媒とポリマーとの重量比4対1で混合し、均一に分散させてペーストを調製した。後は、実施例1と同じ方法で触媒シート化し、白金担持量0.2mg/cm2 を得た。また、アノード触媒層は、実施例1と同じ手順で作製した。
0.5、1.0A/cm2 の電流密度の時、0.66V、0.51Vがそれぞれ得られた。
【0028】
(実施例3)
実施例1のカソード触媒シート上に、EW=1030のプロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5重量%溶液(同上)のみを、同じスクリーンを用いて塗布し、大気雰囲気中100℃で乾燥後、0.20mg/cm2 のポリマー層を形成させた。
一方、実施例1のアノード触媒シート上には、EW=910のプロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5重量%溶液(同上)を用いて塗布し、大気雰囲気中100℃で乾燥後、0.20mg/cm2 のポリマー層を形成させた。
以下の、膜・電極接合体作製以後の手順・方法は実施例1、2と同じとした。
0.5、1.0A/cm2 の電流密度の時、0.67V、0.53Vがそれぞれ得られた。実施例3のセル構造の模式図を図1に示す。
【0029】
(比較例1)
40重量%の白金触媒担持カーボン(米国E−TEK社製)に、プロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5重量%溶液(旭化成工業(株)製、EW=910、溶媒組成はエタノール/水=50/50)を、白金触媒とポリマーとの重量比が2対1となるように添加し、均一に分散させてペーストを調製した。このペーストを200メッシュのスクリーンを用いて、ポリテトラフロロエチレンシート上に塗布した後、大気雰囲気中100℃で乾燥・固定化し、白金担持量0.2mg/cm2 の触媒シートを得た。
0.5、1.0A/cm2 の電流密度の時、0.53V、0.25Vがそれぞれ得られた。
【0030】
【発明の効果】
以上のように、EWの異なる少なくとも2種類のプロトン伝導性ポリマーを含む触媒層とすることにより、触媒活性点近傍の高プロトン伝導性の低EWポリマーは電池反応を円滑に進める効果を果たし、一方、高EWのポリマーは触媒層内の生成水を速やかに層外へ排出させ、触媒へのガス供給を保持させる示す。これらにより、低電流密度から高電流密度まで安定した電池電圧が得られる。特に、電極面積が大型化し、セル内でガス加湿条件が変動する時にも、本発明の電極や膜・電極接合体を用いることにより、大きく改善されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の膜・電極接合体を適用した固体高分子型燃料電池のセル構造の模式図である。
【符号の説明】
1 固体高分子膜
2 アノード
3 カソード
4 膜・電極接合体
5 触媒層支持体
6 セパレータ
7 触媒層
8 プロトン伝導性ポリマー層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to an electrode and a membrane / electrode assembly.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell is one that converts the chemical energy of the fuel directly into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen, methanol, or the like in the cell, and has attracted attention as a clean electrical energy supply source. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected to be an alternative power source for automobiles because it operates at a lower temperature than others.
[0003]
In such a polymer electrolyte fuel cell, a pair of gas diffusion electrodes are joined to both surfaces of a polymer electrolyte membrane. That is, an anode catalyst layer is provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer is provided on the other side, and a pair of gas diffusion layers are adjacent to each other on both sides. Conventionally, the anode and cathode catalyst layers are formed by sheeting a mixture of carbon black powder supporting an electrode catalyst, a polymer having proton conductivity, and a polymer having water repellency. Are joined by hot pressing.
[0004]
Fuel (for example, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode side as the anode, and an oxidant (for example, oxygen or air gas) is supplied to the gas diffusion electrode side as the cathode, and the two electrodes are connected by an external circuit. Operates as a battery. That is, in the anode, protons and electrons are generated by oxidation of the fuel, and the protons pass through the solid electrolyte and move to the cathode side. On the other hand, electrons reach the cathode through an external circuit. At the cathode, water is generated by such protons and electrons and oxygen in the oxidizing agent, and at this time, electric energy can be taken out.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order for protons to move smoothly in the solid polymer electrolyte membrane, water is required, so the fuel is humidified and supplied to the anode together with water. Excess water generated at the cathode and moving through the membrane is released outside the electrode together with the oxidizing agent. In the catalyst layer, in order to obtain a high catalyst utilization rate, as described in JP-A-6-333574, for example, “Nafion (5% by weight solution)” manufactured by Aldrich, USA, which is commercially available, is used. A proton conductive polymer having a high water content is uniformly dispersed. Therefore, even when a water-repellent polymer is included, it is difficult for water to be smoothly discharged from the catalyst layer to the outside of the layer or the gas diffusion layer. While the fuel cell continues to operate, water gradually accumulates in the catalyst layer and gas diffusion layer, and the higher the current density, the more water accumulates and the oxidant is supplied to the catalyst layer. Is greatly disturbed. As a result, the resistance of the electrochemical reaction becomes extremely large, causing a problem that the battery voltage that can be taken out is greatly reduced, and that voltage variation between cells is increased in the stack.
[0006]
By operating the fuel and oxidant under pressure and increasing the fuel cell operating pressure, the reaction efficiency of the electrode increases, but the discharge capacity of produced water and the like decreases conversely due to a decrease in gas flow rate. Improvement in characteristics cannot be expected.
Increasing the amount of the water-repellent polymer dispersed in the catalyst layer is constrained to cause a significant decrease in the catalyst utilization rate and a decrease in output voltage, and a significant improvement in water repellency cannot be expected. In addition, since a proton conductive polymer is contained, a high temperature treatment as described in, for example, Japanese Patent Publication No. 5-20868 is performed after a water repellent polymer such as PTFE is dispersed in the catalyst layer. Cannot be used to form an effective matrix of water repellent polymer.
The present invention has been made paying attention to such problems of the prior art, and improves the water discharge capacity in the catalyst layer, eliminates the influence of water on the diffusion of the reaction gas in the catalyst layer, An object of the present invention is to provide an electrode and a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell that exhibits a stable battery voltage even in a current density region.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present invention provides an electrode characterized in that in the gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, the catalyst layer contains at least two kinds of proton conductive polymers having different EWs. To do. Also, in membrane / electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells,
Provided is a membrane / electrode assembly comprising a solid polymer membrane having an EW of 700 to 1500 and an electrode having a catalyst layer containing at least two types of proton conducting polymers having different EWs. By producing these electrodes and membrane / electrode assemblies, it was found that a stable battery voltage can be obtained, and the present invention has been achieved.
  That is, the present invention
  1. In the gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have at least two kinds of sulfonic acid groups in which the difference in EW uniformly dispersed in the catalyst layer is 20 to 800. An electrode comprising a perfluorocarbon polymer;
2. 1. The perfluorocarbon polymer having at least two types of sulfonic acid groups is uniformly dispersed in the catalyst layer by sequentially or simultaneously adding to the catalyst dispersion. The described electrode,
3. The difference in EW is 50 to 600. Or the electrode according to 2,
4). In the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, the difference in EW in which the solid polymer membrane having an EW of 700 to 1500 and the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are both uniformly dispersed in the catalyst layer A membrane-electrode assembly comprising an electrode having a catalyst layer containing a perfluorocarbon polymer having at least two kinds of sulfonic acid groups of which is 20 to 800,
5. 3. The perfluorocarbon polymer having at least two kinds of sulfonic acid groups is uniformly dispersed in the catalyst layer by sequentially or simultaneously adding the perfluorocarbon polymer to the catalyst dispersion in advance. The membrane-electrode assembly described,
  6). 3. The difference in EW is 50 to 600. Or the membrane / electrode assembly according to 5,
7). 3. The above-mentioned 4. having a proton conductive polymer layer of EW different from the solid polymer membrane at the interface where the solid polymer membrane and the catalyst layer contact. ~ 6. The membrane / electrode assembly according to any one of
It is.
[0008]
The operation of dispersing the proton conductive polymer in the catalyst layer is for greatly improving the utilization rate of the catalyst, but in order to exert the effect more, a polymer having high proton conductivity, that is, EW. It is desirable to use lower polymers. As the proton conductive polymer, perfluorosulfonic acid polymers represented by the above-mentioned Nafion are widely used. For example, in this perfluorosulfonic acid polymer, a polymer having a lower proton conductivity and a higher proton conductivity exhibits a relatively high hydrophilicity and has a high water content. In the battery reaction, protons oxidized on the anode catalyst reach the membrane through the polymer having high proton conductivity, move through the membrane having the same conductivity to the cathode side, and again, It reaches the cathode catalyst through the highly proton conducting polymer dispersed in the catalyst layer. Using this as a three-phase interface, it reacts again with oxygen gas as an oxidant reaction gas and electrons that have passed through an external circuit to produce water. Here, the generated water quickly moves from above the catalyst active point to a polymer having a higher EW and a lower water content, which is also dispersed in the catalyst layer. The gas diffusion layer is discharged out of the electrode. In this way, at the cell reaction catalyst active point, an electrode having a high product water discharge capability can be obtained while maintaining a high reaction rate.
[0009]
Here, EW mentioned above represents the equivalent weight of the exchange group having proton conductivity. The equivalent weight is the dry weight of the ion exchange membrane per equivalent of ion exchange group, and is expressed in units of “g / ew”. The difference between the highest EW and the lowest EW of the proton conductive polymer referred to in the present invention is preferably 20 or more, more preferably 50 or more, and more preferably 100 or more. Particularly preferred. The effect of the present invention can be enjoyed if the difference in EW between the closest numerical values in the case of including three or more proton conductive polymers is 20 or more. The upper limit of the EW difference is preferably 800 or less, more preferably 600 or less, and particularly preferably 400 or less.
[0010]
The EW of the proton conductive polymer may be at least 700 or more, more preferably 800 or more. And it is preferable that it is 1500 or less, and it is more preferable that it is 1300 or less. If it is 700 or less, the hydrophilicity is too high and water cannot move smoothly, and if it is 1500 or more, the proton conductivity is too low, the effect of the present invention cannot be shown.
The proton conductive polymer may be any polymer that conducts protons, and preferably has at least one of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group with a fluorine-containing polymer as a skeleton. Is. In addition, those having a hydrocarbon skeleton such as polyolefin can also be used.
[0011]
Examples of the fluorine-containing polymer include tetrafluoroethylene, trifluoromonochloroethylene, trifluoroethylene, vinylidene fluoride, 1,1-difluoro-2,2-dichloroethylene, 1,1-difluoro-2-chloroethylene, hexa A first group of monomers such as fluoropropylene, 1,1,1,3,3-pentafluoropropylene, octafluoroisobutylene, ethylene, vinyl chloride, and alkyl vinyl ester, and the following general formula (1),
Y- (CF2)a-(CFRf)b-(CFR 'f)c-O-[CF (CF2X) -CF2-O]n-CF = CF2  (1)
(Where Y is -SO2F, -SOThreeNH, -COOH, -CN, -COF, -COOR (R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), -POThreeH2, -POThreeH, a is an integer of 0-6, b is an integer of 0-6, c is 0 or 1, provided that a + b + c cannot be equal to 0. X is Cl, Br, F or a mixture thereof when n> 1, and n is 0-6. RfAnd R 'fAre independently selected from the group consisting of F, Cl, a perfluoroalkyl group having about 1-10 carbon atoms and a fluorochloroalkyl group having 1-10 carbon atoms. ), A copolymer of 2 or 3 or more monomers essential for the second group monomer, one or more polymers of the second group, etc. . In particular, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group is preferable.
[0012]
Although the polymer should just couple | bond two or more molecules of monomers, the molecular weight is preferable 5000 or more from a durable viewpoint. Furthermore, EW can be adjusted as appropriate by using a mixture of a polymer and a low molecular weight compound.
Proton conducting polymers as described above include polar solvents such as alcohols such as methanol, ethanol, propanol and butanol, N, N′-dimethylacetamide, N, N′-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane and the like. And a cyclic ether such as tetrahydrofuran, and a mixture of two or more selected from the above solvent group, or a mixture of the above solvent group and water. In particular, a lower alcohol such as ethanol, 1-propanol, or 2-propanol alone or a mixture of two or more solvents and water is preferable. Furthermore, a mixed solvent of at least one of the above solvent groups and a fluorine-containing compound such as a fluorocarbon or a fluorine-containing alcohol can also be used.
[0013]
The concentration of the dissolved proton conductive polymer solution is preferably in the range of 3 to 20% by weight, when an appropriate proton conductive polymer coating is easily formed on the catalyst surface when dispersed in the catalyst layer of the gas diffusion electrode. . If this concentration is too high, the dispersibility of the polymer in the catalyst layer will deteriorate, the coating thickness will become too large, the three-phase interface will become non-uniform, and the catalyst utilization will decrease, and the effects of the present invention will be reduced. You may not be able to demonstrate. On the other hand, if the concentration is too low, a uniform and sufficient thickness of the proton conductive polymer coating on the catalyst surface cannot be obtained, or the proton conductive polymer solution is applied to the surface of the porous catalyst layer sheet to In the case of dispersing in the polymer, the viscosity of the liquid is too low, and therefore the polymer is concentrated locally, which is not preferable.
[0014]
The electrode catalyst material used for the anode and cathode catalyst layers may be any material that has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, It can be selected from metals such as iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or alloys thereof.
[0015]
The particle size of the catalyst is preferably 10 to 300 mm, more preferably 15 to 100 mm. If it is less than 10 mm, it is practically difficult to manufacture, and if it is more than 300 mm, the catalyst utilization rate decreases, and a high battery voltage cannot be obtained. These catalyst particles may be supported on a conductive material such as carbon black. The amount of catalyst supported is 0.01 to 5 mg / cm with the catalyst layer sheet formed.2And more preferably 0.1-1 mg / cm2It is. 0.01mg / cm2Less than 5 mg / cm, the catalyst performance cannot be exhibited effectively.2In the above, the cost becomes very large, and the effect corresponding to the amount cannot be seen in terms of performance.
[0016]
The catalyst layer referred to in the present invention is composed of a conductive material such as the catalyst material, proton conductive polymer, and carbon black, and includes a water repellent material such as PTFE and a binder as necessary. May be. As a method for dispersing the proton conductive polymer in the catalyst layer, the catalyst layer constituent materials may be mixed and molded to form a catalyst layer, or other constituent materials other than the proton conductive polymer may be mixed and molded in advance to form a catalyst layer. Then, a proton conductive polymer may be impregnated.
The conductive material may be any electron conductive material. For example, carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black listed above as the carbon material, activated carbon, graphite, and various metals can be applied. .
[0017]
Proton conductive polymers such as perfluorosulfonic acid also have a function as a binder in the polymer itself, and form a sufficiently stable matrix with catalyst particles and conductive particles in the catalyst layer. Is possible. For the purpose of imparting water repellency in addition to the function as a binder, for example, various resins containing fluorine can also be used. The fluororesin preferably has a melting point of 400 ° C. or lower, and examples thereof include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and the like.
[0018]
In addition, when an EW proton conducting polymer layer different from the proton conducting polymer in the catalyst layer or the solid polymer membrane is formed at the interface where the catalyst layer and the solid polymer membrane are in contact with each other, especially on the cathode side By making the EW higher than that of the polymer membrane and lower EW than that of the solid polymer membrane on the anode side, the difference in hydrophilicity or hydrophobicity is utilized, and the fuel or oxidizer is insufficiently humidified or the battery Even when the operating current density is low or when the operation is stopped, it is possible to maintain water in the membrane and maintain high proton conductivity. The thickness of this layer is 0.05 to 30 μm, more preferably 0.1 to 10 μm. When the thickness is 0.05 μm or less, the above-described sufficient function effect cannot be obtained. On the other hand, when the thickness is 30 μm or more, the resistance increases, which is not suitable. The EW of the proton conductive polymer layer may be at least 700 or more, more preferably 800 or more. And it is preferable that it is 1500 or less, and it is more preferable that it is 1300 or less. If it is 700 or less, the hydrophilicity is too high and water cannot move smoothly, and if it is 1500 or more, the proton conductivity is too low, the effect of the present invention cannot be shown. The difference in EW between the proton conductive polymer layer and the solid polymer membrane at the interface is preferably 20 or more, more preferably 50 or more, and particularly preferably 100 or more. . In addition, when the EW difference between the closest numerical values in the case of including three or more kinds of proton conductive polymers is 20 or more, the effect of the present invention can be enjoyed. The upper limit of the EW difference is preferably 800 or less, more preferably 600 or less, and particularly preferably 400 or less.
[0019]
In the present invention, the same material as the proton conductive polymer can be used for the membrane used as the solid polymer electrolyte. That is, those having at least one of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group with a fluorine-containing polymer as a skeleton are preferable. A film in which a monomer having a sulfonic acid group or a carboxylic acid group is introduced into a polyolefin film such as polyethylene by a graft polymerization reaction can also be used. The fluorine-containing film is, for example, a copolymer of 2 or more, usually 2 to 3, which is selected from the first group of monomers and the second group of monomers and essentially requires the second group of monomers. In addition to the method of reinforcing the mechanical strength by laminating with a film having a higher EW, these membranes may be reinforced with a perfluorocarbon polymer in a fibril shape, a woven fabric shape, a nonwoven fabric shape, or a porous sheet, The membrane surface can be reinforced by coating with an inorganic oxide or metal.
The EW of these films may be 700 or more, more preferably 800 or more. And it is preferable that it is 1500 or less, and it is more preferable that it is 1300 or less. If it is less than 700, the proton conductivity is improved, but the mechanical strength of the membrane is lowered, which is not practical. Above 1500, the mechanical strength is further improved, but the proton conductivity is lowered and the battery voltage is lowered.
[0020]
  The EW of the solid polymer electrolyte membrane may be 800 or less, more preferably 600 or less, with respect to the EW of the proton conductive polymer dispersed in the catalyst layer in contact with both surfaces of the membrane. If it is 800 or more, the adhesion between the membrane and the catalyst layer is not sufficient, which is not preferable. The catalyst layer can be produced by various generally known methods-spraying method, transfer method, screen printing method, rolling method and the like. After sufficiently stirring a catalyst dispersion liquid composed of a proton conductive polymer, a catalyst, a conductive material, and / or a water-repellent polymer dissolved in a solvent mainly composed of a lower alcohol such as ethanol, for example, in the transfer method, PTFE A catalyst layer is formed on such a smooth sheet by applying and drying the catalyst dispersion to a certain area. At this time, at least two or more types of proton conductive polymers can be added to the catalyst dispersion liquid sequentially or simultaneously in advance to form a catalyst layer in which the proton conductive polymers are uniformly dispersed.
[0021]
The amount of the proton conductive polymer dispersed in the catalyst layer is in the range of 0.1 to 10 by weight with respect to the amount of catalyst supported. When the weight ratio to the catalyst is 0.1 or less, a sufficient catalyst utilization rate cannot be obtained due to a decrease in the reaction active point. On the other hand, when the weight ratio is 10 or more, the influence of hydrophilicity due to the proton conductive polymer increases, and the effect of the present invention cannot be obtained.
Next, the catalyst layer surface of the sheet on which the catalyst layer is formed is superimposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer is bonded to the solid polymer electrolyte membrane under heating and heating. The pressure and temperature at the time of joining are selected from the conditions under which the solid polymer electrolyte membrane, the proton conductive polymer, the catalyst, and the conductive material add sufficient adhesion to each other. In particular, when a perfluorosulfonic acid polymer is used as the solid polymer electrolyte membrane, it may be at least the glass transition point, and the preferred joining temperature is 120 to 200 ° C.
[0022]
Proton conducting polymer can not obtain sufficient conductivity unless it is finally proton type, but in order to improve the heat resistance of solid polymer membrane and proton conducting polymer at the time of bonding, sodium or potassium It is also effective to substitute a monovalent metal ion or the like, or a divalent or trivalent metal, heat treatment, and finally form a proton type.
[0023]
After the catalyst layer is bonded to the solid polymer membrane, the fuel is further used as a membrane / electrode assembly by bonding or overlapping with an electrically conductive porous woven fabric / nonwoven fabric such as carbon paper or carbon cloth as a catalyst layer support. Can be incorporated into battery cells. Carbon paper and carbon cloth can impart water repellency as needed by impregnating with a polytetrafluoroethylene resin, like the diffusion layer. If the porosity of the electrically conductive porous woven fabric or nonwoven fabric is 50% or more, it has a sufficient material exchange function.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not restrict | limited to an Example.
【Example】
Example 1
40 wt% platinum catalyst-supported carbon (manufactured by E-TEK, USA), 5 wt% solution of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin (Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., EW = 910, solvent composition: ethanol / water = 50/50) was added so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer was 4 to 1, and evenly dispersed to form a paste, and then 5% of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin with EW = 1030. A weight percent solution (manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., solvent composition is the same as above) was added in the same amount as the polymer weight, and uniformly dispersed again to prepare a paste. This paste was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet using a 200 mesh screen, and then dried and fixed at 100 ° C. in an air atmosphere to obtain a platinum loading of 0.2 mg / cm 2.2The catalyst sheet was obtained.
[0025]
Two catalyst layer sheets thus obtained were faced to each other, and a perfluorosulfonic acid membrane (made by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.) having an EW = 950 and a thickness of 100 μm was sandwiched between them, 150 ° C., pressure 50 kg / cm.2After hot pressing, the polytetrafluoroethylene sheets on both sides were peeled off to produce a membrane / electrode assembly.
As a catalyst layer support, a carbon cloth having a thickness of about 400 μm (manufactured by E-TEK) was immersed in a tetrafluoroethylene dispersion (60% by weight) and sintered at 340 ° C. 40% by weight impregnation was performed. The porosity was 50%.
[0026]
These membrane / electrode assembly and catalyst layer support were incorporated into a fuel cell single cell evaluation device, and hydrogen gas was used as the fuel and air gas was used as the oxidant, and a single cell characteristic test was conducted at normal pressure and a cell temperature of 70 ° C. . Hydrogen gas was humidified at 80 ° C., and air gas was supplied to the cell as it was without humidification. 0.5, 1.0 A / cm2When the current density was 0.66V and 0.51V, respectively. The following examples and comparative examples were also tested under the same membrane / electrode joining method, diffusion layer, and single cell operating conditions.
[0027]
(Example 2)
40 wt% platinum catalyst-supported carbon (manufactured by E-TEK, USA) and 5 wt% solution of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin (Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., EW = 950, solvent composition is ethanol / water = 50/50) was mixed and stirred at a weight ratio of 4 to 1 between the platinum catalyst and the polymer, and then dried in vacuum at 100 ° C. to prepare a polymer-coated platinum catalyst in advance. Further, this polymer-coated platinum catalyst and a 5% by weight solution of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin having an EW = 1030 (made by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., the solvent composition is the same as the above), the weight ratio of platinum catalyst to polymer 4 A paste was prepared by mixing in a pair and dispersing uniformly. Thereafter, a catalyst sheet was formed in the same manner as in Example 1, and the platinum loading was 0.2 mg / cm.2Got. The anode catalyst layer was produced in the same procedure as in Example 1.
0.5, 1.0 A / cm2When the current density was 0.66V and 0.51V, respectively.
[0028]
(Example 3)
On the cathode catalyst sheet of Example 1, only a 5% by weight solution of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin with EW = 1030 (same as above) was applied using the same screen and dried at 100 ° C. in an air atmosphere. 0.20mg / cm2The polymer layer was formed.
On the other hand, on the anode catalyst sheet of Example 1, a 5 wt% solution of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin with EW = 910 (same as above) was applied, dried at 100 ° C. in an air atmosphere, 20 mg / cm2The polymer layer was formed.
The following procedures and methods after the production of the membrane / electrode assembly were the same as those in Examples 1 and 2.
0.5, 1.0 A / cm2When the current density was 0.67 V and 0.53 V, respectively. A schematic diagram of the cell structure of Example 3 is shown in FIG.
[0029]
(Comparative Example 1)
40 wt% platinum catalyst-supported carbon (manufactured by E-TEK, USA), 5 wt% solution of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin (Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., EW = 910, solvent composition: ethanol / water = 50/50) was added so that the weight ratio of the platinum catalyst to the polymer was 2 to 1, and dispersed uniformly to prepare a paste. This paste was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet using a 200-mesh screen, and then dried and fixed at 100 ° C. in an air atmosphere to obtain a platinum loading of 0.2 mg / cm 2.2The catalyst sheet was obtained.
0.5, 1.0 A / cm2When the current density was 0.53V and 0.25V, respectively.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, by using a catalyst layer containing at least two types of proton conductive polymers having different EWs, the high proton conductive low EW polymer near the catalytic active point has an effect of smoothly promoting the cell reaction, The high EW polymer indicates that the generated water in the catalyst layer is quickly discharged out of the layer and the gas supply to the catalyst is maintained. Accordingly, a stable battery voltage can be obtained from a low current density to a high current density. In particular, even when the electrode area is increased and the gas humidification conditions fluctuate in the cell, the use of the electrode or the membrane / electrode assembly of the present invention greatly improves the electrode area.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell to which a membrane / electrode assembly of the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Solid polymer membrane
2 Anode
3 Cathode
4 Membrane / electrode assembly
5 Catalyst layer support
6 Separator
7 Catalyst layer
8 Proton conductive polymer layer

Claims (7)

固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極において、アノード触媒層とカソード触媒層が共に、該触媒層内に均一に分散されたEWの差が20〜800である少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を含むことを特徴とする電極。In the gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have at least two kinds of sulfonic acid groups in which the difference in EW uniformly dispersed in the catalyst layer is 20 to 800. An electrode comprising a perfluorocarbon polymer . 少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体が、予め触媒分散液に順次あるいは同時に投入することにより、該触媒層内に均一に分散されたものであることを特徴とする請求項1記載の電極。2. The perfluorocarbon polymer having at least two kinds of sulfonic acid groups is uniformly dispersed in the catalyst layer by sequentially or simultaneously adding to the catalyst dispersion. Electrodes. EWの差が50〜600であることを特徴とする請求項1又は2記載の電極。The electrode according to claim 1 or 2, wherein the difference in EW is 50 to 600. 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体において、EWが700〜1500である固体高分子膜と、アノード触媒層とカソード触媒層が共に、該触媒層内に均一に分散されたEWの差が20〜800である少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を含む触媒層を有する電極とからなることを特徴とする膜・電極接合体。In the solid polymer type fuel cell membrane electrode assembly, and a solid polymer membrane EW is 700 to 1500, an anode catalyst layer and cathode catalyst layer are both difference uniformly distributed EW in the catalyst layer A membrane-electrode assembly comprising: an electrode having a catalyst layer containing a perfluorocarbon polymer having at least two kinds of sulfonic acid groups having a saponification value of 20 to 800 . 少なくとも2種類のスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体が、予め触媒分散液に順次あるいは同時に投入することにより、該触媒層内に均一に分散されたものであることを特徴とする請求項4記載の膜・電極接合体。5. The perfluorocarbon polymer having at least two kinds of sulfonic acid groups is uniformly dispersed in the catalyst layer by sequentially or simultaneously charging the catalyst dispersion liquid. Membrane / electrode assembly. EWの差が50〜600であることを特徴とする請求項4又は5記載の膜・電極接合体。6. The membrane / electrode assembly according to claim 4, wherein the difference in EW is 50 to 600. 固体高分子膜と触媒層が接する界面に、固体高分子膜と異なるEWのプロトン伝導性ポリマーの層を有する請求項4〜6のいずれかに記載の膜・電極接合体。The membrane / electrode assembly according to any one of claims 4 to 6, further comprising an EW proton conductive polymer layer different from the solid polymer membrane at an interface where the solid polymer membrane and the catalyst layer are in contact with each other .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2427497C (en) 2000-10-31 2012-01-31 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Electrode for solid polymer electrolyte fuel cell
JP2003059494A (en) * 2001-08-09 2003-02-28 Asahi Glass Co Ltd Method for operating solid polymer fuel cell and fuel cell system
WO2003088386A1 (en) * 2002-04-17 2003-10-23 Nec Corporation Fuel cell, electrode for fuel cell, and method for manufacturing them
JP2006286330A (en) * 2005-03-31 2006-10-19 Equos Research Co Ltd Fuel cell and catalyst layer therefor
JP2008053084A (en) 2006-08-25 2008-03-06 Sumitomo Chemical Co Ltd Fuel cell and membrane-electrode assembly therefor
JP2008053101A (en) 2006-08-25 2008-03-06 Toyota Motor Corp Membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell
EP2062933A1 (en) 2007-11-26 2009-05-27 Solvay Solexis S.p.A. Fluoroionomer liquid composition
JP5609475B2 (en) * 2010-09-17 2014-10-22 凸版印刷株式会社 Electrode catalyst layer, method for producing electrode catalyst layer, and polymer electrolyte fuel cell using the electrode catalyst layer
JP5680770B2 (en) 2011-03-11 2015-03-04 ユーティーシー パワー コーポレイション Unitized electrode assembly with high equivalent ionomer
CN103931031B (en) * 2011-11-11 2017-05-31 日产自动车株式会社 Electrode catalyst for fuel cell layer, electrode for fuel cell, fuel battery membrane electrode assembly and fuel cell
WO2014098912A1 (en) 2012-12-21 2014-06-26 United Technologies Corporation Proton exchange material and method therefor
JP6165878B2 (en) 2012-12-21 2017-07-19 アウディ アクチェンゲゼルシャフトAudi Ag Electrolyte membrane, dispersion, and dispersion method
US11239471B2 (en) 2016-09-30 2022-02-01 Ballard Power Systems Inc. Cathode electrode design for electrochemical fuel cells
JP2018060714A (en) * 2016-10-06 2018-04-12 凸版印刷株式会社 Method for manufacturing electrode catalyst layer for fuel cell, method for manufacturing catalyst ink, catalyst ink, and electrode catalyst layer for fuel cell

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3245929B2 (en) * 1992-03-09 2002-01-15 株式会社日立製作所 Fuel cell and its application device
JP3382654B2 (en) * 1993-02-03 2003-03-04 旭硝子株式会社 Solid polymer electrolyte fuel cell
JPH06251779A (en) * 1993-02-24 1994-09-09 Asahi Chem Ind Co Ltd Formation of joined body of solid polymer electrolyte layer and electrode for fuel cell
JPH06275282A (en) * 1993-03-18 1994-09-30 Hitachi Ltd Fuel cell
JP3892053B2 (en) * 1993-03-26 2007-03-14 旭化成ケミカルズ株式会社 Proton exchange membrane fuel cell
JPH07135004A (en) * 1993-11-12 1995-05-23 Toyota Motor Corp Solid high molecular electrolytic film and fuel cell
JPH07254419A (en) * 1994-03-15 1995-10-03 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Electrode for polyelectrolyte type electrochemical cell and its manufacture
CN1201554A (en) * 1995-10-06 1998-12-09 陶氏化学公司 Flow field structures for membrane electrode assemblies of fuel cells
JP3588889B2 (en) * 1996-01-30 2004-11-17 旭硝子株式会社 Solid polymer electrolyte fuel cell

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