JP2008016415A - Electrode for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell equipped with this electrode for fuel cell - Google Patents

Electrode for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell equipped with this electrode for fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress flooding of water generated near the interface of an electrolyte layer and a catalyst electrode. <P>SOLUTION: The electrode for fuel cell is made of a catalyst layer having carbon particles carrying a catalyst metal on the surface and an electrolyte, and formed between an electrolyte layer and a gas diffusion layer. The catalyst layer is constructed of a multi-layered catalyst layer and it is constructed so that the carbon particles contained in the catalyst layer on the electrolyte layer side may have relatively high water repellency of themselves and the carbon particles contained in the gas diffusion layer side may have relatively low water repellency of themselves. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池用電極およびその製造方法、並びに、この燃料電池用電極を備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the fuel cell electrode.

燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池は、固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（以下、「固体高分子電解質膜」あるいは、単に「電解質膜」と呼ぶ。）により構成される電解質層と、この電解質層を挟む２つの触媒層（触媒電極とも呼び、酸素極および水素極がある。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下ではアノードと呼ぶ。）と、を備える単セルを、セパレータにより挟持することにより構成される。そして、アノードに水素を含有する燃料ガスが供給されると共に、カソードに酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行することにより発電する。アノードおよびカソードにおける電気化学反応は次の通りである。   2. Description of the Related Art A fuel cell, for example, a solid polymer fuel cell, is constituted by a proton conductive ion exchange membrane (hereinafter referred to as “solid polymer electrolyte membrane” or simply “electrolyte membrane”) formed of a solid polymer material. An electrolyte layer and two catalyst layers sandwiching the electrolyte layer (also referred to as a catalyst electrode, which includes an oxygen electrode and a hydrogen electrode. The oxygen electrode is hereinafter referred to as a cathode, and the hydrogen electrode is hereinafter referred to as an anode). Are sandwiched by a separator. Then, the fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode, and the oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode, thereby generating electric power by proceeding with the electrochemical reaction. The electrochemical reaction at the anode and cathode is as follows.

アノードにおいては、アノードに含まれる触媒の反応により水素分子がイオン化してプロトンになり、電子を放出する。プロトンは電解質層を介してアノードからカソードへ移動する。放出された電子は、外部の電気回路を通ってカソードに移動する。カソードにおいては、カソードに含まれる触媒の反応により、アノードから放出された電子と、電解質層を介して移動してきたプロトンと、酸素分子とを結合して水を生成する。以上のようにして、燃料電池では、アノードおよびカソードにおいて進行する電気化学反応により、発電される。   In the anode, the hydrogen molecules are ionized into protons by the reaction of the catalyst contained in the anode to emit electrons. Protons travel from the anode to the cathode through the electrolyte layer. The emitted electrons move to the cathode through an external electric circuit. At the cathode, water is generated by combining electrons released from the anode, protons that have moved through the electrolyte layer, and oxygen molecules by the reaction of the catalyst contained in the cathode. As described above, in the fuel cell, power is generated by an electrochemical reaction that proceeds at the anode and the cathode.

ここで、電解質層を構成する電解質膜にはフッ素樹脂系イオン交換膜が用いられるが、湿潤状態で良好な電気伝導性を示し、含水率が低下すると抵抗が高くなり電解質として機能しなくなるという特性を有している。このため、例えば特許文献１に記載の例のように、電解質膜の乾燥を防止する目的で、触媒電極のうち、電解質層に近い領域ほど撥水性を弱め、電解質層から離れた領域ほど撥水性を高めた領域とする構成が知られている。   Here, a fluororesin ion exchange membrane is used for the electrolyte membrane constituting the electrolyte layer, but it exhibits good electrical conductivity in a wet state, and when the water content decreases, the resistance increases and the electrolyte does not function. have. For this reason, for example, as in the example described in Patent Document 1, for the purpose of preventing drying of the electrolyte membrane, the water repellency is weakened in the region closer to the electrolyte layer and the water repellency in the region away from the electrolyte layer in the catalyst electrode. A configuration in which the area is increased is known.

特開平１０−１８９００４号公報JP-A-10-189004 特開平６−５２８７１号公報JP-A-6-52871

しかしながら、上記従来の燃料電池のように、触媒電極のうち、電解質層に近い領域ほど撥水性を弱めるとすると、以下で説明する点で問題がある。   However, if the water repellency is weakened in a region closer to the electrolyte layer in the catalyst electrode as in the conventional fuel cell, there is a problem in the points described below.

電解質層を介してカソードに移動してきたプロトンの多くは、この電解質層とカソードとの界面近傍で酸素との反応が進むため、この界面近傍では多くの水が生成されることになる。従って、上記従来例の燃料電池のように、触媒電極のうち、電解質層に近い領域ほど撥水性を弱めるとすると、特に、高電流密度での動作では、電解質層とカソードとの界面近傍で多量の水が生成されて水膜（水の分子どうしの結合による表面張力でできる膜）を形成し、いわゆるフラッディングが発生する可能性が高くなる。このフラッディングが発生すると、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことになる。   Most of the protons that have moved to the cathode through the electrolyte layer undergo a reaction with oxygen in the vicinity of the interface between the electrolyte layer and the cathode, so that a large amount of water is generated in the vicinity of the interface. Therefore, if the water repellency is weakened in the region closer to the electrolyte layer in the catalyst electrode as in the conventional fuel cell, a large amount is produced near the interface between the electrolyte layer and the cathode, particularly in operation at a high current density. Water is generated to form a water film (a film formed by surface tension due to the binding of water molecules), and so-called flooding is likely to occur. When this flooding occurs, the power generation performance deteriorates and the output voltage decreases.

また、電解質層とカソードとの界面近傍に水膜が形成されて滞留すると、電解質層を介してカソードに移動してきたプロトンのカソード内での移動が抑制されて、これによっても発電性能の低下を招くことになる。   In addition, if a water film is formed and stays in the vicinity of the interface between the electrolyte layer and the cathode, the movement of protons that have moved to the cathode via the electrolyte layer is suppressed in the cathode, which also reduces the power generation performance. Will be invited.

なお、上記フラッディングの発生による発電性能の低下の問題は、撥水性を変化させない構成の電解質層を用いた場合においても同様である。 The problem of the decrease in power generation performance due to the occurrence of flooding is the same even when an electrolyte layer having a structure that does not change water repellency is used.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制する技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a technique for suppressing flooding of generated water in the vicinity of an interface between an electrolyte layer and a catalyst electrode of a fuel cell.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用電極は、
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極であって、
前記触媒層は、多層の触媒層で構成されており、
前記電解質層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に高く、前記ガス拡散層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に低くなるように構成されている、
ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the fuel cell electrode of the present invention comprises:
A fuel cell electrode comprising a catalyst layer comprising carbon particles carrying a catalyst metal on the surface and an electrolyte, and formed between the electrolyte layer and the gas diffusion layer,
The catalyst layer is composed of multiple catalyst layers,
The carbon particles contained in the catalyst layer on the electrolyte layer side have a relatively high water repellency, and the carbon particles contained in the catalyst layer on the gas diffusion layer side have a relatively low water repellency. Being
It is characterized by that.

上記構成の燃料電池用電極によれば、電解質層側ほど相対的に撥水性が高く、ガス拡散層側ほど相対的に撥水性が低くなるように、多層の触媒層で構成されているので、燃料電池に用いて動作させた場合に、電極内に存在する水の、相対的に撥水性の高い電解質層側から相対的に撥水性の低いガス拡散層側への移動を促進させることができる。これにより、電解質層と電極（触媒層）との界面近傍において、水のフラッディングが発生することを抑制することが可能となる。   According to the fuel cell electrode having the above-described configuration, the electrolyte layer side has a relatively high water repellency, and the gas diffusion layer side has a relatively low water repellency. When operated using a fuel cell, it is possible to promote the movement of water present in the electrode from the electrolyte layer side having a relatively high water repellency to the gas diffusion layer side having a relatively low water repellency. . Thereby, it becomes possible to suppress flooding of water near the interface between the electrolyte layer and the electrode (catalyst layer).

ここで、前記多層の触媒層のうち、少なくとも、前記電解質層に接する触媒層のカーボン粒子は、所定の種類のカーボン粒子を熱処理することにより、自身の撥水性を高めたカーボン粒子を用いて構成されていることが好ましい。   Here, among the multilayered catalyst layers, at least the carbon particles of the catalyst layer in contact with the electrolyte layer are composed of carbon particles having their own water repellency improved by heat-treating a predetermined type of carbon particles. It is preferable that

このようにすれば、相対的に撥水性の高い触媒層を容易に構成することができる。   In this way, a catalyst layer with relatively high water repellency can be easily constructed.

なお、多層の触媒層は、電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成されるようにしてもよい。   The multilayer catalyst layer may be composed of two catalyst layers, an electrolyte layer side catalyst layer and a diffusion layer side catalyst layer.

このようにすれば、本発明の燃料電池用電極を簡単に構成することができる。   In this way, the fuel cell electrode of the present invention can be easily configured.

本発明の第１の燃料電池用電極の製造方法は、
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と前記電解質とを溶媒中に分散させた触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクを用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記ガス拡散層部材の一方の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面と、前記拡散層側触媒層の表面とを接合することにより前記触媒層を形成する、
ことを特徴とする。 The first fuel cell electrode manufacturing method of the present invention comprises:
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising a catalyst layer comprising carbon particles carrying a catalyst metal on the surface and an electrolyte, and formed between the electrolyte layer and the gas diffusion layer,
As a catalyst ink in which the electrolyte membrane constituting the electrolyte layer, the gas diffusion layer member constituting the gas diffusion layer, the carbon particles carrying the catalyst metal on the surface, and the electrolyte are dispersed in a solvent, Preparing a first catalyst ink containing carbon particles having a relatively high water repellency and a second catalyst ink containing carbon particles having a relatively low water repellency;
Forming an electrolyte layer side catalyst layer on the surface of at least one of the electrolyte membranes using the first catalyst ink,
A diffusion layer side catalyst layer is formed on one surface of the gas diffusion layer member using the second catalyst ink,
Forming the catalyst layer by joining the surface of the electrolyte layer side catalyst layer and the surface of the diffusion layer side catalyst layer;
It is characterized by that.

上記第１の製造方法によれば、上記発明の燃料電池用電極、特に、電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成される燃料電池用電極を作製することができる。   According to the first production method, the fuel cell electrode according to the invention described above, in particular, the fuel cell electrode composed of two catalyst layers of the electrolyte layer side catalyst layer and the diffusion layer side catalyst layer can be produced. it can.

また、本発明の第２の燃料電池用電極の製造方法は、
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子および前記電解質を溶媒中に分散させた触媒インクとして、それぞれ、自身の撥水性が異なっているカーボン粒子を含む複数の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記複数の触媒インクを、前記電解質膜側から、相対的に撥水性の高いカーボン粒子を含む触媒インクから相対的に撥水性の低いカーボン粒子を含む触媒インクの順に用いて複数層の触媒層を形成する、
ことを特徴とする。 The second method for producing a fuel cell electrode of the present invention comprises
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising a catalyst layer comprising carbon particles carrying a catalyst metal on the surface and an electrolyte, and formed between the electrolyte layer and the gas diffusion layer,
The electrolyte membrane constituting the electrolyte layer, the gas diffusion layer member constituting the gas diffusion layer, the carbon particles supporting the catalyst metal on the surface, and the catalyst ink in which the electrolyte is dispersed in a solvent, respectively, A plurality of catalyst inks containing carbon particles having different water repellency, and
The catalyst ink containing the plurality of catalyst inks on at least one surface of the electrolyte membrane, and the catalyst ink containing carbon particles having relatively low water repellency from the catalyst ink containing carbon particles having relatively high water repellency from the electrolyte membrane side. A plurality of catalyst layers are formed in the order of
It is characterized by that.

上記第２の製造方法によれば、複数層の触媒層で構成される上記発明の燃料電池用電極を作製することができる。   According to the second production method, the fuel cell electrode according to the invention can be produced, which comprises a plurality of catalyst layers.

また、前記複数の触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成して前記触媒層を形成するようにしてもよい。 Further, as the plurality of catalyst inks, a first catalyst ink containing carbon particles having relatively high water repellency, and a second catalyst ink containing carbon particles having relatively low water repellency; Prepare
Forming an electrolyte layer side catalyst layer on the surface of at least one of the electrolyte membranes using the first catalyst ink,
The catalyst layer may be formed by forming a diffusion layer side catalyst layer on the surface of the electrolyte layer side catalyst layer using the second catalyst ink.

上記のようにすれば、上記発明の燃料電池用電極、特に、電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成される燃料電池用電極を作製することができる。   According to the above, it is possible to produce the fuel cell electrode according to the present invention, in particular, the fuel cell electrode composed of two catalyst layers of the electrolyte layer side catalyst layer and the diffusion layer side catalyst layer.

本発明は、種々の態様で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池用電極や燃料電池用電極の製造方法、その燃料電池用電極を備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える発電装置、その燃料電池システムを備える電気自動車の態様で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various modes. For example, the fuel cell electrode and the fuel cell electrode manufacturing method of the present invention, the fuel cell including the fuel cell electrode, the fuel cell system including the fuel cell, It can be realized in the form of a power generation device including the fuel cell system and an electric vehicle including the fuel cell system.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．触媒電極の製造方法：
Ｃ．触媒電極（カソード）の機能：
Ｄ．触媒電極の別の製造方法：
Ｅ．変形例： Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Method for producing catalyst electrode:
C. Catalytic electrode (cathode) functions:
D. Another method for producing a catalyst electrode:
E. Variation:

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、例えば固体高分子電解質型燃料電池とすることができ、単セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単セル１０は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２０と、ＭＥＡ２０を両側から挟持するセパレータ３０，４０と、を備えている。 A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell of the present embodiment can be a solid polymer electrolyte fuel cell, for example, and has a stack structure in which a plurality of single cells 10 are stacked. The single cell 10 includes a MEA (membrane electrode assembly) 20 and separators 30 and 40 that sandwich the MEA 20 from both sides.

ＭＥＡ２０は、電解質層２１と、電解質層２１を間に挟んでその表面に形成されると共に電気化学反応が進行する触媒金属を備えた触媒層（「触媒電極」とも呼ぶ。）であるカソード２２およびアノード２３と、上記触媒電極のさらに外側に配設されたカソード側のガス拡散層２４およびアノード側のガス拡散層２５と、を備えている。   The MEA 20 includes an electrolyte layer 21 and a cathode 22 that is a catalyst layer (also referred to as a “catalyst electrode”) that is formed on the surface of the electrolyte layer 21 and includes a catalyst metal that undergoes an electrochemical reaction. An anode 23, and a cathode-side gas diffusion layer 24 and an anode-side gas diffusion layer 25 disposed further outside the catalyst electrode are provided.

電解質層２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。   The electrolyte layer 21 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good proton conductivity in a wet state.

カソード２２およびアノード２３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を有する触媒電極を構成する層（触媒層）である。特に、カソード２２は、電解質層２１側の層（以下、「電解質層側触媒層」と呼ぶ。）２２ａとガス拡散層２４側の層（以下、「拡散層側触媒層」と呼ぶ。）２２ｂとで、それぞれの固体表面における水の接触角が異なる２層構造となっている。電解質層側触媒層２２ａの接触角をθａ、拡散層側触媒層２２ｂの接触角をθｂとすると、θａ＞θｂ、すなわち、電解質層側触媒層２２ａは、拡散層側触媒層２２ｂに対して接触角が大きくなるように設定されている。これにより、電解質層側触媒層２２ａは、拡散層側触媒層２２ｂに対して撥水性が強くなるように設定されている。なお、本発明の特徴は、この２層構造のカソードの機能にあり、このカソードの機能については、後述する。   The cathode 22 and the anode 23 are layers (catalyst layers) constituting a catalyst for promoting an electrochemical reaction, for example, a catalyst electrode having platinum or an alloy made of platinum and another metal. In particular, the cathode 22 is a layer on the electrolyte layer 21 side (hereinafter referred to as “electrolyte layer side catalyst layer”) 22 a and a layer on the gas diffusion layer 24 side (hereinafter referred to as “diffusion layer side catalyst layer”) 22 b. And a two-layer structure in which the contact angles of water on the respective solid surfaces are different. When the contact angle of the electrolyte layer side catalyst layer 22a is θa and the contact angle of the diffusion layer side catalyst layer 22b is θb, θa> θb, that is, the electrolyte layer side catalyst layer 22a is in contact with the diffusion layer side catalyst layer 22b. The corner is set to be large. Thereby, the electrolyte layer side catalyst layer 22a is set so that water repellency becomes strong with respect to the diffusion layer side catalyst layer 22b. The feature of the present invention is the function of the cathode having the two-layer structure, and the function of the cathode will be described later.

ガス拡散層２４，２５は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。   The gas diffusion layers 24 and 25 can be formed of a conductive member having gas permeability, for example, a carbon porous body such as carbon paper, or a metal porous body such as a metal mesh or a foam metal.

ガスセパレータ３０，４０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。ガスセパレータ３０，４０の表面には、単セル１０に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード２２側のガス拡散層２４とガスセパレータ３０との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸化ガス（図中Ｏ２と記す。）が通過する単セル内酸化ガス流路３１が形成されている。また、アノード２３側のガス拡散層２５とガスセパレータ４０との間には、アノードでの電気化学反応に供される燃料ガス（図中Ｈ２と記す。）が通過する単セル内燃料ガス流路４１が形成されている。なお、図１のガスセパレータ３０，４０は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、ガスセパレータ３０，４０とＭＥＡ２４との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。 The gas separators 30 and 40 can be formed of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon, or a press-molded metal plate. The surface of the gas separators 30 and 40 is formed with a concavo-convex shape for forming a flow path for the fuel gas or the oxidizing gas supplied to the single cell 10. That is, between the gas diffusion layer 24 on the cathode 22 side and the gas separator 30, the oxidizing gas flow in the single cell through which the oxidizing gas (denoted as O 2 in the figure) used for the electrochemical reaction at the cathode passes. A path 31 is formed. Also, between the gas diffusion layer 25 on the anode 23 side and the gas separator 40, the fuel gas flow in the single cell through which the fuel gas (denoted as H 2 in the figure) used for the electrochemical reaction at the anode passes. A path 41 is formed. The gas separators 30 and 40 in FIG. 1 have an uneven shape including a plurality of parallel grooves, but may have different shapes, and a gas flow path between the gas separators 30 and 40 and the MEA 24 may be used. It suffices if a space for forming can be formed.

単セル１０の外周部には、単セル内酸化ガス流路３１および単セル内燃料ガス流路４１におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、本実施例の燃料電池は、単セル１０を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル１０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル１０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路３１内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。同様に、燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル１０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路４１内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。   On the outer periphery of the unit cell 10, a sealing member (not shown) for ensuring gas sealing performance in the unit cell oxidizing gas channel 31 and the unit cell fuel gas channel 41 is provided. In addition, the fuel cell of this embodiment has a stack structure in which a plurality of single cells 10 are stacked. The outer periphery of the stack structure is parallel to the stacking direction of the single cells 10 and is fuel gas or oxidation. A plurality of gas manifolds through which gas flows are provided (not shown). The oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply manifold among the plurality of gas manifolds is distributed to each single cell 10 and passes through each single cell oxidizing gas flow path 31 while being subjected to an electrochemical reaction. Collect in the gas exhaust manifold. Similarly, the fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold is distributed to each single cell 10 and passes through each single cell fuel gas flow path 41 while being subjected to an electrochemical reaction, and then gathers in the fuel gas discharge manifold. To do.

燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。   For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell. Further, as the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high purity hydrogen gas may be used.

なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるガスセパレータ３０と、これに隣接して設けられる他方の単セルのガスセパレータ４０との間に設ければよい。   Although illustration is omitted, in order to adjust the internal temperature of the stack structure, a refrigerant flow path through which the refrigerant passes may be provided between the single cells or every time a predetermined number of single cells are stacked. good. The refrigerant flow path may be provided between the adjacent single cells and between the gas separator 30 provided in one single cell and the gas separator 40 of the other single cell provided adjacent thereto.

Ｂ．触媒電極の製造方法：
２層構造を有する触媒電極は、以下で説明するようにして作製することができる。図２は、燃料電池の製造時に実行される触媒電極の製造工程を表す説明図である。 B. Method for producing catalyst electrode:
A catalyst electrode having a two-layer structure can be produced as described below. FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a manufacturing process of the catalyst electrode that is performed when the fuel cell is manufactured.

触媒電極であるカソード２２およびアノード２３を作製するには、まず、電解質層２１を構成する固体高分子電解質膜と、ガス拡散層２４，２５を構成する拡散層部材と、３種類の触媒インクを用意する（ステップＳ１００）。   In order to produce the cathode 22 and the anode 23 that are catalyst electrodes, first, a solid polymer electrolyte membrane that constitutes the electrolyte layer 21, a diffusion layer member that constitutes the gas diffusion layers 24 and 25, and three types of catalyst inks are used. Prepare (step S100).

３種類の触媒インクは、アノード２２を形成するためのアノード用触媒インクと、カソード２２を形成するためのカソード用電解質層側触媒インクおよびカソード用拡散層側触媒インクである。   The three types of catalyst inks are an anode catalyst ink for forming the anode 22, a cathode electrolyte layer side catalyst ink and a cathode diffusion layer side catalyst ink for forming the cathode 22.

ここで、触媒インクは、触媒金属を所定量担持させた触媒担持カーボン粒子と、電解質と、を水及びエタノールなどの分散溶媒とを混合することにより作製することができる。   Here, the catalyst ink can be produced by mixing catalyst-supporting carbon particles supporting a predetermined amount of catalyst metal and an electrolyte with a dispersion solvent such as water and ethanol.

カソード用電解質層側触媒インクとカソード用拡散層側触媒インクとは、触媒層形成時における撥水性を異ならせるために、それぞれ異なった撥水性を有するカーボン粒子に触媒電極を担持した担持カーボン粒子を用いる。   The cathode electrolyte layer side catalyst ink and the cathode diffusion layer side catalyst ink are different from each other in that the supported carbon particles carrying the catalyst electrode on the carbon particles having different water repellency are used in order to make the water repellency different when forming the catalyst layer. Use.

本実施例では、例えば、カソード用拡散層側触媒インクには、カーボン粒子（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、Ｋｅｔｊｅｎ ＥＣ）に５０質量％の白金を担持させた触媒担持カーボン粒子を用いることとした。一方、カソード用電解質層側触媒インクには、同じカーボン粒子を約１５００℃程度の高温熱処理することにより、撥水性を強めたカーボン粒子を作製し、このカーボン粒子に５０質量％の白金を担持させた触媒担持カーボン粒子を用いることとした。なお、高温熱処理の温度は、これに限定されるものではなく、所望の撥水性が得られるように設定すればよい。また、アノード用触媒インクは、カソード用拡散層側触媒インクと同じカーボン粒子に３０質量％の白金を担持させた触媒担持カーボン粒子を用いることとした。   In this example, for example, catalyst-supporting carbon particles in which 50% by mass of platinum is supported on carbon particles (Ketjen EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) are used for the cathode diffusion layer side catalyst ink. . On the other hand, in the cathode electrolyte layer side catalyst ink, the same carbon particles are heat-treated at a high temperature of about 1500 ° C. to produce carbon particles with enhanced water repellency, and 50% by mass of platinum is supported on the carbon particles. The catalyst-supported carbon particles were used. Note that the temperature of the high-temperature heat treatment is not limited to this, and may be set so as to obtain a desired water repellency. Further, as the anode catalyst ink, catalyst-supported carbon particles in which 30% by mass of platinum was supported on the same carbon particles as the cathode diffusion layer side catalyst ink were used.

また、電解質としては、電解質層２１に用いられる固体高分子電解質膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ １１２）と同じ種類のイオン交換樹脂であるナフィオン溶液（デュポン社製）を用いることとした。アノード側およびカソード側拡散層部材としては、拡散層部材（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０６０）の表面をカーボン／ＰＴＦＥにより撥水処理したものを用いることとした。   As the electrolyte, a Nafion solution (manufactured by DuPont), which is the same type of ion exchange resin as the solid polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont, Nafion 112) used for the electrolyte layer 21 was used. As the anode-side and cathode-side diffusion layer members, those obtained by subjecting the surface of a diffusion layer member (TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) to a water repellent treatment with carbon / PTFE were used.

そして、電解質層２１となる電解質膜のアノード側の面上にアノード用触媒インクを用いてアノード用触媒層を形成する（ステップＳ１１０）。例えば、電解質膜のアノード側の面上にアノード用触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量は、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整する。 Then, an anode catalyst layer is formed on the anode side surface of the electrolyte membrane to be the electrolyte layer 21 using the anode catalyst ink (step S110). For example, the anode catalyst ink can be spray-coated on the anode side surface of the electrolyte membrane and dried. The coating amount is adjusted so that the platinum amount is 0.2 mg / cm 2 .

次に、電解質膜のカソード側の面上にカソード用電解質層側触媒インクを用いてカソード用電解質層側触媒層を形成する（ステップＳ１２０）。例えば、カソード用電解質層側触媒層の形成も、アノード用触媒層と同様に、電解質膜のカソード側の面上にカソード用電解質層側触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量も、同様に、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整すればよい。 Next, the cathode electrolyte layer side catalyst layer is formed on the cathode side surface of the electrolyte membrane using the cathode electrolyte layer side catalyst ink (step S120). For example, the cathode electrolyte layer side catalyst layer can also be formed by spraying the cathode electrolyte layer side catalyst ink on the cathode side surface of the electrolyte membrane and drying it, as with the anode catalyst layer. it can. Similarly, the coating amount may be adjusted so that the platinum amount is 0.2 mg / cm 2 .

さらに、カソード側拡散層部材の一方の面上にカソード用拡散層側触媒インクを用いてカソード用拡散層側触媒層を形成する（ステップＳ１３０）。例えば、カソード用拡散層側触媒層の形成も、アノード用触媒層やカソード用電解質層側触媒層と同様に、カソード側拡散層部材の一方の面上にカソード用拡散層側触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量も、同様に、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整すればよい。 Further, a cathode diffusion layer side catalyst layer is formed on one surface of the cathode side diffusion layer member using the cathode diffusion layer side catalyst ink (step S130). For example, the cathode diffusion layer side catalyst layer can be formed by spraying the cathode diffusion layer side catalyst ink on one surface of the cathode side diffusion layer member in the same manner as the anode catalyst layer and the cathode electrolyte layer side catalyst layer. And can be formed by drying. Similarly, the coating amount may be adjusted so that the platinum amount is 0.2 mg / cm 2 .

最後に、電解質膜のアノード用触媒層形成面とアノード側拡散層部材の一方の面、および、電解質膜のカソード用電解質層側触媒層形成面とカソード側拡散層部材のカソード用拡散層側触媒層形成面、を接合する（ステップＳ１４０）。この接合は、例えば、圧着面温度１３０℃、圧力５ＭＰａでの熱圧接合により実行することができる。   Finally, the anode catalyst layer forming surface of the electrolyte membrane and one surface of the anode side diffusion layer member, and the cathode electrolyte layer side catalyst layer forming surface of the electrolyte membrane and the cathode diffusion layer side catalyst of the cathode side diffusion layer member The layer forming surfaces are joined (step S140). This joining can be performed, for example, by hot-pressure joining at a pressure contact surface temperature of 130 ° C. and a pressure of 5 MPa.

以上のようにして、図１に示した構造の触媒電極を製造することができる。なお、ステップＳ１１０からＳ１３０の順番は任意である。   As described above, the catalyst electrode having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured. Note that the order of steps S110 to S130 is arbitrary.

Ｃ．触媒電極（カソード）の機能：
次に、上記製造方法に従って作成された２層構造を有する触媒電極（カソード）の機能について説明する。 C. Catalytic electrode (cathode) functions:
Next, the function of the catalyst electrode (cathode) having a two-layer structure prepared according to the above manufacturing method will be described.

背景技術においても説明したように、アノードに水素を含有する燃料ガスが供給されると共に、カソードに酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行することにより発電する。このとき、アノード２３においては、図１に示すように、アノードに含まれる触媒の反応により水素分子（Ｈ２）がイオン化してプロトン（２Ｈ＋）になり、電子（２ｅ−）を放出する。プロトンは電解質層２１を介してアノード２３からカソード２２へ移動する。放出された電子は、外部の電気回路（負荷）を通ってカソード２２に移動する。カソード２２においては、カソードに含まれる触媒の反応により、アノード２３から放出された電子と、電解質層２１を介して移動してきたプロトンと、酸素分子（Ｏ２）とを結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成する。なお、この水の生成反応は、電解質層２１を介して多くのプロトンが移動してくるカソード２２の電解質層２１との界面近傍、言い換えると、カソード２２の電解質層側触媒層２２ａの領域内で多く発生する。 As described in the background art, the fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode and the oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode, so that the power is generated by the progress of the electrochemical reaction. At this time, in the anode 23, as shown in FIG. 1, hydrogen molecules (H 2 ) are ionized by the reaction of the catalyst contained in the anode to become protons (2H + ), and electrons (2e − ) are released. Protons move from the anode 23 to the cathode 22 through the electrolyte layer 21. The emitted electrons move to the cathode 22 through an external electric circuit (load). In the cathode 22, the electrons released from the anode 23 by the reaction of the catalyst contained in the cathode, the protons that have moved through the electrolyte layer 21, and oxygen molecules (O 2 ) are combined to form water (H 2 O). This water generation reaction is performed in the vicinity of the interface between the cathode 22 and the electrolyte layer 21 where many protons move through the electrolyte layer 21, in other words, in the region of the electrolyte layer side catalyst layer 22 a of the cathode 22. Many occur.

ここで、カソード２２の電解質層側触媒層２２ａと拡散層側触媒層２２ｂとでは、電解質層側触媒層２２ａの方が拡散層側触媒層２２ｂに比べて相対的に接触角が大きく撥水性が強いので、電解質層側触媒層２２ａにおいて生成された水（生成水）は、相対的に接触角が小さく撥水性が弱い拡散層側触媒層２２ｂの側に移動しやすくなる。これにより、電解質層側触媒層２２ａの領域における水膜の形成を抑制し、フラッディング現象の発生を抑制することが可能となるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。   Here, in the electrolyte layer side catalyst layer 22a and the diffusion layer side catalyst layer 22b of the cathode 22, the electrolyte layer side catalyst layer 22a has a relatively larger contact angle and water repellency than the diffusion layer side catalyst layer 22b. Since it is strong, the water (generated water) generated in the electrolyte layer side catalyst layer 22a easily moves toward the diffusion layer side catalyst layer 22b having a relatively small contact angle and weak water repellency. As a result, the formation of a water film in the region of the electrolyte layer side catalyst layer 22a can be suppressed, and the occurrence of flooding can be suppressed. Therefore, the power generation performance is reduced in operation at a high current density, and the output voltage is reduced. Can be prevented from incurring a decrease.

また、カソード２２の電解質層側触媒層２２ａから拡散層側触媒層２２ｂへ生成水を移動させることにより、電解質層２１を介して電解質層側触媒層２２ａに移動してきたプロトンを、生成水と共に拡散層側触媒層２２ｂへ移動させることが容易となるので、拡散層側触媒層２２ｂにおける電気化学反応を促進して、発電性能を向上させることが可能となり、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。   Further, by transferring the generated water from the electrolyte layer side catalyst layer 22a of the cathode 22 to the diffusion layer side catalyst layer 22b, the protons transferred to the electrolyte layer side catalyst layer 22a through the electrolyte layer 21 are diffused together with the generated water. Since it becomes easy to move to the layer side catalyst layer 22b, it is possible to promote the electrochemical reaction in the diffusion layer side catalyst layer 22b to improve the power generation performance, and in the operation at a high current density, the power generation performance It is possible to suppress the decrease in the output voltage and the decrease in the output voltage.

図３は、２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池の電流密度に対する出力電圧特性の一例を示すグラフである。図の比較例は１層構造の触媒電極を有する燃料電池の特性を示しており、触媒電極の接触角θが約１４２°である場合の特性を示している。図の実施例は、上記製造方法に従って作製され、２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池の特性を示しており、図１に示すカソード２２の電解質層側触媒層２２ａの接触角θａが約１５２°で拡散層側触媒層２２ｂの接触角θｂが約１３９°の場合の特性を示している。   FIG. 3 is a graph showing an example of output voltage characteristics with respect to current density of a fuel cell having a cathode that is a catalyst electrode having a two-layer structure. The comparative example in the figure shows the characteristics of a fuel cell having a catalyst electrode with a single layer structure, and shows the characteristics when the contact angle θ of the catalyst electrode is about 142 °. The embodiment of the figure shows the characteristics of a fuel cell having a cathode which is a two-layered catalyst electrode manufactured according to the above manufacturing method, and the contact angle θa of the electrolyte layer side catalyst layer 22a of the cathode 22 shown in FIG. Is about 152 ° and the contact angle θb of the diffusion layer side catalyst layer 22b is about 139 °.

図３から分かるように、比較例の場合に比べて実施例の場合には、電流密度の変化に応じた出力電圧の変化の幅が約２５％程度小さくなっており、発電性能の低下を抑制していることがわかる。   As can be seen from FIG. 3, in the case of the embodiment, the width of the change of the output voltage corresponding to the change of the current density is reduced by about 25% in comparison with the case of the comparative example, thereby suppressing the decrease in power generation performance You can see that

以上説明したように、上記製造方法に従って作製され、２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池では、電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制することができるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。   As described above, in a fuel cell having a cathode that is a two-layered catalyst electrode manufactured according to the above manufacturing method, flooding of generated water in the vicinity of the interface between the electrolyte layer and the catalyst electrode can be suppressed. In operation at a high current density, it is possible to suppress a decrease in power generation performance and a decrease in output voltage.

Ｄ．触媒電極の別の製造方法：
図４は、燃料電池の製造時に実行される触媒電極の別の製造工程を表す説明図である。この製造工程は、図２に示した製造工程のステップＳ１３０をステップＳ１３０Ｂに置き換え、これに応じて、ステップＳ１４０をステップＳ１４０Ｂに置き換えたものである。 D. Another method for producing a catalyst electrode:
FIG. 4 is an explanatory view showing another manufacturing process of the catalyst electrode executed at the time of manufacturing the fuel cell. In this manufacturing process, step S130 of the manufacturing process shown in FIG. 2 is replaced with step S130B, and step S140 is replaced with step S140B accordingly.

ステップＳ１３０Ｂは、カソード用拡散層側触媒層の形成方法がステップＳ１３０とは異なっている。具体的には、ステップＳ１３０Ｂでは、ステップＳ１２０において形成されたカソード用電解質層側触媒層の面上にカソード用拡散層側触媒インクを用いてカソード用拡散層側触媒層を形成する。この場合のカソード用拡散層側触媒層の形成も、アノード用触媒層やカソード用電解質層側触媒層と同様に、形成されたカソード用電解質層側触媒層の面上にカソード用拡散層側触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量も、同様に、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整すればよい。これにより、カソード用触媒層を形成することができる。 Step S130B differs from Step S130 in the method for forming the cathode diffusion layer side catalyst layer. Specifically, in step S130B, the cathode diffusion layer side catalyst layer is formed on the surface of the cathode electrolyte layer side catalyst layer formed in step S120 using the cathode diffusion layer side catalyst ink. In this case, the cathode diffusion layer side catalyst layer is formed on the surface of the formed cathode electrolyte layer side catalyst layer on the surface of the formed cathode electrolyte layer side catalyst layer in the same manner as the anode catalyst layer and cathode electrolyte layer side catalyst layer. It can be formed by spraying ink and drying. Similarly, the coating amount may be adjusted so that the platinum amount is 0.2 mg / cm 2 . Thereby, the catalyst layer for cathodes can be formed.

そして、ステップＳ１４０Ｂでは、電解質膜のアノード用触媒層形成面とアノード側拡散層部材の一方の面、および、電解質膜のカソード用触媒層形成面とカソード用拡散層部材と、を接合する。   In step S140B, the anode catalyst layer forming surface of the electrolyte membrane and one surface of the anode-side diffusion layer member, and the cathode catalyst layer forming surface of the electrolyte membrane and the cathode diffusion layer member are joined.

本例のようにしても、図１に示した２層構造の触媒電極であるカソードを製造することができる。ただし、本例の場合には、カソード用電解質層側触媒層形成面上にカソード用拡散層拡散層側触媒インクをスプレー塗布することにより、カソード用電解質層側触媒層内に、カソード用拡散層拡散層側触媒インクが浸潤し、カソード用電解質層側触媒層とカソード用拡散層側触媒層との界面において、カソード用拡散層側触媒層とカソード用電解質層側触媒層との中間の領域が形成される可能性がある。   Even in this example, the cathode which is the two-layered catalyst electrode shown in FIG. 1 can be manufactured. However, in the case of this example, the cathode diffusion layer diffusion layer side catalyst ink is spray-coated on the cathode electrolyte layer side catalyst layer forming surface, whereby the cathode diffusion layer in the cathode electrolyte layer side catalyst layer. The diffusion layer side catalyst ink is infiltrated, and at the interface between the cathode electrolyte layer side catalyst layer and the cathode diffusion layer side catalyst layer, there is an intermediate region between the cathode diffusion layer side catalyst layer and the cathode electrolyte layer side catalyst layer. It may be formed.

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 E. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、相対的に撥水性の高い電解質層側触媒層と相対的に撥水性の低い拡散層側触媒層の２層構造を有する触媒電極を例に説明したが、これに限定されるものではなく、電解質層側ほど相対的に撥水性が高く拡散層側ほど相対的に撥水性が低くなるように、３層以上の多層構造を有する触媒電極とするようにしてもよい。この場合であっても、同様に、燃料電池の電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制することが可能となるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。 E1. Modification 1:
In the above embodiment, the catalyst electrode having a two-layer structure of the electrolyte layer side catalyst layer having a relatively high water repellency and the diffusion layer side catalyst layer having a relatively low water repellency has been described as an example. The catalyst electrode may have a multilayer structure of three or more layers so that the water repellency is relatively higher on the electrolyte layer side and the water repellency is lower on the diffusion layer side. Even in this case, similarly, it becomes possible to suppress flooding of generated water near the interface between the electrolyte layer of the fuel cell and the catalyst electrode, so that the power generation performance is reduced in operation at a high current density. Therefore, it is possible to suppress a decrease in output voltage.

なお、３層以上の多層構造を有する触媒電極は、上記触媒電極の別の製造工程において説明したように、媒層形成面上に異なった触媒層を形成することを繰り返すことにより製造することができる。   In addition, the catalyst electrode having a multilayer structure of three or more layers can be manufactured by repeatedly forming different catalyst layers on the medium layer forming surface as described in another manufacturing process of the catalyst electrode. it can.

Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、カソードを例に説明したが、カソードだけでなくアノードにおいても、カソードと同様に、電解質層側ほど相対的に撥水性が高く拡散層側ほど相対的に撥水性が低くなるように多層構造とするようにしてもよい。この場合には、電解質層を介して、カソードからアノードに移動する水により、電解質層と触媒電極との界面近傍における水のフラッディングを抑制することができる。 E2. Modification 2:
In the above embodiment, the cathode has been described as an example. However, not only in the cathode but also in the anode, like the cathode, the water repellency is relatively higher on the electrolyte layer side and the water repellency is relatively lower on the diffusion layer side. Alternatively, a multilayer structure may be used. In this case, flooding of water in the vicinity of the interface between the electrolyte layer and the catalyst electrode can be suppressed by the water moving from the cathode to the anode via the electrolyte layer.

Ｅ３．変形例３：
また、拡散層やセパレータの形状を、実施例の燃料電池とは異なる形状としても良い。例えば、セパレータ表面において、単セル内ガス流路を形成するための凹凸形状を設けない形状とすると共に、セパレータとＭＥＡとの間に導電性多孔質部材を配置して、この導電性多孔質部材内に形成される空隙によって、単セル内ガス流路を形成することとしても良い。単セル内ガス流路の形状を他の任意の形状とする場合であっても、同様に、燃料電池の電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制することが可能となるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。 E3. Modification 3:
Further, the shape of the diffusion layer or the separator may be different from that of the fuel cell of the example. For example, the surface of the separator is not provided with a concavo-convex shape for forming the gas flow path in the single cell, and the conductive porous member is disposed between the separator and the MEA. It is good also as forming the gas flow path in a single cell by the space | gap formed in an inside. Even when the shape of the gas flow path in the single cell is set to any other shape, similarly, flooding of generated water near the interface between the fuel cell electrolyte layer and the catalyst electrode can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance and a decrease in output voltage during operation at a high current density.

本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the schematic structure of the fuel cell which is an Example of this invention. 燃料電池の製造時に実行される触媒電極の製造工程を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the manufacturing process of the catalyst electrode performed at the time of manufacture of a fuel cell. ２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池の電流密度に対する出力電圧特性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the output voltage characteristic with respect to the current density of the fuel cell which has a cathode which is a catalyst electrode of a two-layer structure. 燃料電池の製造時に実行される触媒電極の別の製造工程を表す説明図である。It is explanatory drawing showing another manufacturing process of the catalyst electrode performed at the time of manufacture of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１０...単セル
２０...ＭＥＡ
２１...電解質層
２２...カソード
２２ａ...電解質層側触媒層
２２ｂ...拡散層側触媒層
２３...アノード
２４，２５...ガス拡散層
３０，４０...ガスセパレータ
３１...単セル内酸化ガス流路
４１...単セル内燃料ガス流路 10 ... Single cell 20 ... MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Electrolyte layer 22 ... Cathode 22a ... Electrolyte layer side catalyst layer 22b ... Diffusion layer side catalyst layer 23 ... Anode 24, 25 ... Gas diffusion layer 30, 40 ... Gas Separator 31 ... Oxidation gas flow path in single cell 41 ... Fuel gas flow path in single cell

Claims (7)

表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極であって、
前記触媒層は、多層の触媒層で構成されており、
前記電解質層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に高く、前記ガス拡散層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に低くなるように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池用電極。 A fuel cell electrode comprising a catalyst layer comprising carbon particles carrying a catalyst metal on the surface and an electrolyte, and formed between the electrolyte layer and the gas diffusion layer,
The catalyst layer is composed of multiple catalyst layers,
The carbon particles contained in the catalyst layer on the electrolyte layer side have a relatively high water repellency, and the carbon particles contained in the catalyst layer on the gas diffusion layer side have a relatively low water repellency. Being
An electrode for a fuel cell. 請求項１記載の燃料電池用電極であって、
前記多層の触媒層のうち、少なくとも、前記電解質層に接する触媒層のカーボン粒子は、所定の種類のカーボン粒子を熱処理することにより、自身の撥水性を高めたカーボン粒子を用いて構成されている、
ことを特徴とする燃料電池用電極。 The fuel cell electrode according to claim 1,
Among the multilayered catalyst layers, at least the carbon particles of the catalyst layer in contact with the electrolyte layer are configured using carbon particles that have improved their water repellency by heat-treating a predetermined type of carbon particles. ,
An electrode for a fuel cell. 請求項１または請求項２記載の燃料電池用電極であって、
電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成されている、
ことを特徴とする燃料電池用電極。 A fuel cell electrode according to claim 1 or 2, wherein
It is composed of two catalyst layers, an electrolyte layer side catalyst layer and a diffusion layer side catalyst layer,
An electrode for a fuel cell. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用電極を備える燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 3. 表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と前記電解質とを溶媒中に分散させた触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクを用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記ガス拡散層部材の一方の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面と、前記拡散層側触媒層の表面とを接合することにより前記触媒層を形成する、
ことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。 A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising a catalyst layer comprising carbon particles carrying a catalyst metal on the surface and an electrolyte, and formed between the electrolyte layer and the gas diffusion layer,
As a catalyst ink in which the electrolyte membrane constituting the electrolyte layer, the gas diffusion layer member constituting the gas diffusion layer, the carbon particles carrying the catalyst metal on the surface, and the electrolyte are dispersed in a solvent, Preparing a first catalyst ink containing carbon particles having a relatively high water repellency and a second catalyst ink containing carbon particles having a relatively low water repellency;
Forming an electrolyte layer side catalyst layer on the surface of at least one of the electrolyte membranes using the first catalyst ink,
A diffusion layer side catalyst layer is formed on one surface of the gas diffusion layer member using the second catalyst ink,
Forming the catalyst layer by joining the surface of the electrolyte layer side catalyst layer and the surface of the diffusion layer side catalyst layer;
A method for producing an electrode for a fuel cell. 表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子および前記電解質を溶媒中に分散させた触媒インクとして、それぞれ、自身の撥水性が異なっているカーボン粒子を含む複数の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記複数の触媒インクを、前記電解質膜側から、相対的に撥水性の高いカーボン粒子を含む触媒インクから相対的に撥水性の低いカーボン粒子を含む触媒インクの順に用いて複数層の触媒層を形成する、
ことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。 A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising a catalyst layer comprising carbon particles carrying a catalyst metal on the surface and an electrolyte, and formed between the electrolyte layer and the gas diffusion layer,
The electrolyte membrane constituting the electrolyte layer, the gas diffusion layer member constituting the gas diffusion layer, the carbon particles supporting the catalyst metal on the surface, and the catalyst ink in which the electrolyte is dispersed in a solvent, respectively, A plurality of catalyst inks containing carbon particles having different water repellency, and
The catalyst ink containing the plurality of catalyst inks on at least one surface of the electrolyte membrane, and the catalyst ink containing carbon particles having relatively low water repellency from the catalyst ink containing carbon particles having relatively high water repellency from the electrolyte membrane side. A plurality of catalyst layers are formed in the order of
A method for producing an electrode for a fuel cell. 請求項６記載の燃料電池用電極の製造方法であって、
前記複数の触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成して前記触媒層を形成する、
ことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。 It is a manufacturing method of the electrode for fuel cells according to claim 6,
As the plurality of catalyst inks, a first catalyst ink containing carbon particles having a relatively high water repellency and a second catalyst ink containing carbon particles having a relatively low water repellency are prepared. And
Forming an electrolyte layer side catalyst layer on the surface of at least one of the electrolyte membranes using the first catalyst ink,
Forming the catalyst layer by forming a diffusion layer side catalyst layer on the surface of the electrolyte layer side catalyst layer using the second catalyst ink;
A method for producing an electrode for a fuel cell.
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JP2022176910A (en) * 2021-05-17 2022-11-30 ブルーム エネルギー コーポレイション Catalytic ink composition and method of forming hydrogen pumping proton exchange membrane electrochemical cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010080378A (en) * 2008-09-29 2010-04-08 Toyota Motor Corp Fuel cell
JP2022176910A (en) * 2021-05-17 2022-11-30 ブルーム エネルギー コーポレイション Catalytic ink composition and method of forming hydrogen pumping proton exchange membrane electrochemical cell
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