JP2008041488A

JP2008041488A - Membrane-electrode assembly and fuel cell

Info

Publication number: JP2008041488A
Application number: JP2006215720A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ueki; 伸一植木; Osamu Terabayashi; 治寺林
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-02-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly capable of smoothly and rapidly supplying reactants such as a fuel substance and oxygen to its three-phase interface without disturbing formation of the three-phase interface being a development field of a power generation reaction, and of remarkably improving power generation output of a polymer electrolyte fuel cell, in an MEA for a fuel cell using a solid polymer membrane for an electrolyte membrane, and to provide a fuel cell. <P>SOLUTION: On a gas diffusion layer 15, through-holes 151 piercing it in its thickness direction are distributed and formed; on a catalyst layer 14, grooves 141 forming passages in its surface direction are formed; and further desirably, the positions of the through-holes 151 of the gas diffusion layer are made to correspond to the positions of the grooves 141 of the catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜に固体高分子膜を用いた燃料電池用の膜電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly and a fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane.

近年、携帯電話やＰＤＡ、ノート型パソコンなどの携帯型電子機器の高性能化にともない、その駆動電源となる電池に対する性能向上が求められている。現在、携帯用電子機器の電源としてはリチウムイオン二次電池が主に使用されている。この二次電池のエネルギー密度は旧来型のものよりも大幅に向上しているが、さらに今以上の劇的な向上は望めない。このため、将来的に要求されるエネルギー密度を満たすことは困難である。また、二次電池は充電が必要なため、携帯機器用の駆動電源としては利便性に欠けるところがある。そこで、最近は、それらの要求に応える手段として燃料電池が注目されている。 In recent years, with the improvement in performance of portable electronic devices such as mobile phones, PDAs, and notebook personal computers, there has been a demand for improved performance with respect to batteries serving as driving power sources. Currently, lithium ion secondary batteries are mainly used as power sources for portable electronic devices. Although the energy density of this secondary battery is significantly higher than that of the conventional type, further dramatic improvement cannot be expected. For this reason, it is difficult to satisfy the energy density required in the future. Further, since the secondary battery needs to be charged, there is a lack of convenience as a driving power source for portable devices. Therefore, recently, fuel cells have attracted attention as a means for meeting these requirements.

燃料電池は、燃料と空気（酸素）を供給することによって電気エネルギーを取り出す発電デバイスであって、将来的に要求されるエネルギー密度を満たすことが可能であるとともに、燃料の補給により発電を維持することができるため、充電が不要で携帯用としての利便性もすぐれている。 A fuel cell is a power generation device that extracts electrical energy by supplying fuel and air (oxygen), and can meet the energy density required in the future and maintain power generation by refueling. Therefore, charging is unnecessary and convenience for portable use is also excellent.

この燃料電池には、リン酸型、固体酸化物型、溶融炭酸塩型、固体高分子型など、種々の方式が存在するが、携帯型電子機器の駆動電源としては、電解質膜に固体高分子膜を使用し、室温付近の低温での動作が可能な固体高分子型が適している。 There are various types of fuel cells, such as phosphoric acid type, solid oxide type, molten carbonate type, and solid polymer type. As a power source for portable electronic devices, solid polymer is used as an electrolyte membrane. A solid polymer type that uses a membrane and can operate at a low temperature near room temperature is suitable.

固体高分子型の燃料電池は、図４に示すような膜電極接合体（以下、ＭＥＡ）１０を単位として構成される。そのＭＥＡ１０は、同図にその模式化断面を示すように、電解質膜１３の両面に酸化／還元の反応極１１，１２を接合したものである。 The polymer electrolyte fuel cell is configured with a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) 10 as shown in FIG. The MEA 10 is obtained by joining oxidation / reduction reaction electrodes 11 and 12 to both surfaces of an electrolyte membrane 13 as shown in the schematic cross section of FIG.

電解質膜１３はイオン導電性を有する固体高分子膜からなる。この電解質膜１３の一方の面には、還元反応極をなすアノード極（燃料極）１１が接合される。また、その他方の面には、酸化反応極をなすカソード極（空気極）１２が接合される。両反応極１１，１２はそれぞれ触媒層１４とガス拡散層１５を有する。触媒層１４は、たとえば貴金属触媒を担持させた炭素粉末を用いて形成される。ガス拡散層１５は導電性を有する多孔質体を用いて形成される（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００５−１０８８２０ The electrolyte membrane 13 is made of a solid polymer membrane having ionic conductivity. An anode electrode (fuel electrode) 11 forming a reduction reaction electrode is joined to one surface of the electrolyte membrane 13. Further, a cathode electrode (air electrode) 12 forming an oxidation reaction electrode is joined to the other surface. Both reaction electrodes 11 and 12 each have a catalyst layer 14 and a gas diffusion layer 15. The catalyst layer 14 is formed using, for example, carbon powder supporting a noble metal catalyst. The gas diffusion layer 15 is formed using a porous body having conductivity (see, for example, Patent Document 1).
JP-A-2005-108820

上記ＭＥＡ１０では、アノード極１１にてメタノール等の燃料物質（還元剤）から水素イオンＨ＋と電子ｅ−の生成反応が進行する一方、カソード極１２にてその反応で生成した水素イオンと電子が酸素（酸化剤）と反応して水を生成する。この酸化還元の反応により、両反応極１１，１２間に起電力が生じて電気エネルギーを取り出すことができる。 In the MEA 10, the generation reaction of hydrogen ions H + and electrons e− proceeds from a fuel substance (reducing agent) such as methanol at the anode electrode 11, while the hydrogen ions and electrons generated by the reaction at the cathode electrode 12 are oxygen. Reacts with (oxidant) to produce water. By this oxidation-reduction reaction, an electromotive force is generated between the reaction electrodes 11 and 12, and electric energy can be taken out.

両反応極１１，１２における酸化還元反応は、触媒層１４内部に形成される三相（気液固相）界面において進行する。還元剤である燃料物質は、アノード極１１側のガス拡散層１５内を拡散して触媒層１４に到達し、さらに触媒層１４内を拡散して発電反応（還元）の進行場である三相界面に供給される。同様に、酸化剤である酸素は、カソード極１２側のガス拡散層１５内を拡散して触媒層１４に到達し、さらに触媒層１４内を拡散して発電反応（酸化）の進行場である三相界面に供給される。 The oxidation-reduction reaction at both reaction electrodes 11 and 12 proceeds at the three-phase (gas-liquid solid phase) interface formed inside the catalyst layer 14. The fuel substance as a reducing agent diffuses in the gas diffusion layer 15 on the anode electrode 11 side and reaches the catalyst layer 14, and further diffuses in the catalyst layer 14 and is a three-phase phase in which power generation reaction (reduction) proceeds. Supplied to the interface. Similarly, oxygen, which is an oxidant, diffuses in the gas diffusion layer 15 on the cathode electrode 12 side and reaches the catalyst layer 14, and further diffuses in the catalyst layer 14 and is a progress field of the power generation reaction (oxidation). Supplied to the three-phase interface.

高出力な燃料電池を実現するためには、アノード極１１とカソード極１２における反応を円滑に進行させる必要があり、このためには、燃料や酸素などの反応剤（酸化／還元反応物質）を上記三相界面に円滑かつ迅速に供給する必要がある。 In order to realize a high-power fuel cell, it is necessary to smoothly proceed the reaction at the anode electrode 11 and the cathode electrode 12, and for this purpose, a reactant (oxidation / reduction reactant) such as fuel or oxygen is used. It is necessary to supply the three-phase interface smoothly and quickly.

その反応剤の供給経路は、ガス拡散層１５および触媒層１４の多孔質構造によって形成される。この多孔質構造は３次元的にランダムに分布する迷路状の微細孔を有する。反応剤はその微細孔内を迷走移動しながら拡散するので、その拡散速度は遅い。つまり、拡散性が低い。このため、燃料物質や酸素などの反応剤を上記三相界面に円滑かつ迅速に供給することができない、という問題が生じる。 The supply path of the reactant is formed by the porous structure of the gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 14. This porous structure has maze-like micropores randomly distributed three-dimensionally. Since the reactant diffuses while staggering in the micropores, the diffusion rate is slow. That is, the diffusibility is low. For this reason, there arises a problem that a reactant such as a fuel substance or oxygen cannot be supplied smoothly and quickly to the three-phase interface.

この場合、単に拡散速度を速めるということだけであれば、ガス拡散層１５および触媒層１４の多孔質構造を粗くすればよいが、そうすると、発電反応の進行場である三相界面の形成が阻害されて発電出力が低下してしまう、という背反が生じる。 In this case, if the diffusion rate is merely increased, the porous structure of the gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 14 may be roughened. However, this prevents the formation of a three-phase interface that is the progress field of the power generation reaction. As a result, a contradiction arises in that the power generation output decreases.

そこで、本発明者らは、燃料物質や酸素などの反応剤が上記三相界面に円滑かつ迅速に供給されるようにするため、次のような構成手段（１）（２）を検討した。
（１）図５の（ａ）に模式化断面を示すように、ＭＥＡ１０のガス拡散層１５に貫通孔１５１を分布形成する。
（２）同図の（ｂ）に模式化断面を示すように、触媒層１４に溝１４１を格子状に形成する。 In view of this, the present inventors have studied the following constitutional means (1) and (2) in order to smoothly and quickly supply the reactant such as fuel substance and oxygen to the three-phase interface.
(1) As shown in the schematic cross section of FIG. 5A, the through holes 151 are distributedly formed in the gas diffusion layer 15 of the MEA 10.
(2) Grooves 141 are formed in the catalyst layer 14 in a lattice shape as shown in the schematic cross section of FIG.

しかしながら、上記手段（１）（２）はそれぞれ、図４に示した構成との比較では改善効果が認められたが、将来的に要求される高出力化への対応には、まだ不十分であった。 However, each of the above means (1) and (2) has an improvement effect in comparison with the configuration shown in FIG. 4, but it is still insufficient to cope with the high output required in the future. there were.

本発明は以上のような技術背景を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電解質膜に固体高分子膜を用いた燃料電池用のＭＥＡにおいて、発電反応の進行場である三相界面の形成を阻害することなく、燃料物質や酸素などの反応剤をその三相界面へ円滑かつ迅速に供給させることを可能にし、これにより、固体高分子型燃料電池の発電出力を大幅に向上させることにある。 The present invention has been made in view of the technical background as described above, and an object of the present invention is to provide a three-phase which is a progress field of a power generation reaction in an MEA for a fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane. Enables smooth and rapid supply of reactants such as fuel materials and oxygen to the three-phase interface without hindering the formation of the interface, thereby greatly improving the power output of the polymer electrolyte fuel cell There is to make it.

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。 Other objects and configurations of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
（１）固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層からなる反応極が接合された燃料電池用の膜電極接合体において、上記ガス拡散層には厚み方向に抜ける貫通孔が分布形成され、かつ、上記触媒層には面方向への流路をなす溝が形成されていることを特徴とする膜電極接合体。
（２）上記手段（１）において、ガス拡散層の貫通孔が触媒層の溝に位置対応して配設されていることを特徴とする膜電極接合体。
（３）上記手段（１）または（２）のいずれかに記載の膜電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池。 The solution provided by the present invention is as follows.
(1) In a membrane electrode assembly for a fuel cell in which a reaction electrode comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer is joined to both surfaces of an electrolyte membrane comprising a solid polymer membrane, the gas diffusion layer penetrates through in the thickness direction. A membrane electrode assembly, wherein pores are distributed and grooves are formed in the catalyst layer to form flow paths in the surface direction.
(2) The membrane electrode assembly according to the above means (1), wherein the through holes of the gas diffusion layer are disposed corresponding to the grooves of the catalyst layer.
(3) A fuel cell using the membrane electrode assembly according to any one of the means (1) or (2).

電解質膜に固体高分子膜を用いた燃料電池用のＭＥＡにおいて、発電反応の進行場である三相界面の形成を阻害することなく、燃料物質や酸素などの反応剤をその三相界面へ円滑かつ迅速に供給させることができる。これにより、固体高分子型燃料電池の発電出力を大幅に向上させることが可能になる。 In MEA for fuel cells using a solid polymer membrane as the electrolyte membrane, the reactants such as fuel substances and oxygen can be smoothly transferred to the three-phase interface without obstructing the formation of the three-phase interface that is the progress field of the power generation reaction. And can be supplied quickly. As a result, the power generation output of the polymer electrolyte fuel cell can be greatly improved.

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。 Operations / effects other than those described above will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

図１は、本発明に係るＭＥＡ（膜電極接合体）の第１実施形態を示す。同図において、（ａ）は模式化断面図、（ｂ）そのＡ矢視面図、（ｃ）はその部分斜視図をそれぞれ示す。 FIG. 1 shows a first embodiment of an MEA (membrane electrode assembly) according to the present invention. In the same figure, (a) is a schematic cross-sectional view, (b) a view from the A direction, and (c) a partial perspective view.

同図に示すＭＥＡ１０は固体高分子型燃料電池の構成単位をなすものであって、電解質膜１３の両面に酸化／還元の反応極１１，１２が接合されている。電解質膜１３はイオン導電性を有する固体高分子膜からなる。この電解質膜１３の一方の面には、還元反応極をなすアノード極（燃料極）１１が接合されている。また、その他方の面には、酸化反応極をなすカソード極（空気極）１２が接合されている。 The MEA 10 shown in FIG. 1 constitutes a structural unit of a polymer electrolyte fuel cell, and oxidation / reduction reaction electrodes 11 and 12 are joined to both surfaces of the electrolyte membrane 13. The electrolyte membrane 13 is made of a solid polymer membrane having ionic conductivity. An anode electrode (fuel electrode) 11 forming a reduction reaction electrode is joined to one surface of the electrolyte membrane 13. Also, a cathode electrode (air electrode) 12 forming an oxidation reaction electrode is joined to the other surface.

両反応極１１，１２はそれぞれ触媒層１４とガス拡散層１５を有する。触媒層１４は電解質膜１３に接する層であって、たとえば貴金属触媒を担持させた炭素粉末を用いて形成される。ガス拡散層１５は触媒層１４の上に積層された層であって、導電性を有する多孔質体を用いて形成される。 Both reaction electrodes 11 and 12 each have a catalyst layer 14 and a gas diffusion layer 15. The catalyst layer 14 is in contact with the electrolyte membrane 13 and is formed using, for example, carbon powder supporting a noble metal catalyst. The gas diffusion layer 15 is a layer laminated on the catalyst layer 14 and is formed using a porous body having conductivity.

さらに、ガス拡散層１５には厚み方向に抜ける貫通孔１５１が分布形成されている。また、触媒層１４には面方向への流路をなす溝１４１が形成されている。 Furthermore, the gas diffusion layer 15 is distributedly formed with through holes 151 extending in the thickness direction. Further, the catalyst layer 14 has a groove 141 that forms a flow path in the surface direction.

アノード極１１側には還元剤となる燃料として、液体メタノール、ガス状メタノール、水素ガス、エタノール、ジメチルエーテルなどが供給される。また、カソード極１２側には上記燃料の酸化剤として、空気、酸素、または空気以外の酸素混合ガスが供給される。 Liquid methanol, gaseous methanol, hydrogen gas, ethanol, dimethyl ether or the like is supplied to the anode 11 side as a fuel as a reducing agent. Further, air, oxygen, or an oxygen mixed gas other than air is supplied to the cathode 12 side as an oxidant for the fuel.

アノード極１１では、メタノール等の燃料物質から水素イオンＨ＋と電子ｅ−の生成反応が進行する。これと同時に、カソード極１２では、その反応で生成した水素イオンと電子が酸素と反応して水を生成する。この酸化還元の反応により、両反応極１１，１２間に起電力が生じて電気エネルギーを取り出すことができる。 In the anode 11, the generation reaction of hydrogen ions H + and electrons e− proceeds from a fuel material such as methanol. At the same time, at the cathode electrode 12, hydrogen ions and electrons generated by the reaction react with oxygen to generate water. By this oxidation-reduction reaction, an electromotive force is generated between the reaction electrodes 11 and 12, and electric energy can be taken out.

両反応極１１，１２における反応は、触媒層１４内部の三相界面において進行する。この反応の進行場に燃料物質と酸素が供給されることにより、発電反応が生じる。アノード極１１側から供給された燃料物質（還元剤）は、そのアノード極１１側のガス拡散層１５で拡散されながら触媒層１４に達し、さらにその触媒層１４内を拡散して上記三相界面に到達する。同様に、カソード極１２側から供給された酸素（酸化剤）も、そのカソード極１２側のガス拡散層１５で拡散されながら触媒層１４に達し、さらにその触媒層１４内を拡散して上記三相界面に到達する。 The reaction at both reaction electrodes 11 and 12 proceeds at the three-phase interface inside the catalyst layer 14. When the fuel substance and oxygen are supplied to the reaction progress field, a power generation reaction occurs. The fuel material (reducing agent) supplied from the anode electrode 11 side reaches the catalyst layer 14 while being diffused in the gas diffusion layer 15 on the anode electrode 11 side, and further diffuses in the catalyst layer 14 to cause the above three-phase interface. To reach. Similarly, oxygen (oxidant) supplied from the cathode electrode 12 side reaches the catalyst layer 14 while being diffused in the gas diffusion layer 15 on the cathode electrode 12 side, and further diffuses in the catalyst layer 14 to cause the above three. Reach the phase interface.

この反応剤の供給を反応極１１，１２の多孔質構造だけに依存させると、前述したように、その多孔質構造内での拡散速度が遅いことにより、反応の進行場となる三相界面に反応剤を円滑に供給させることができず、反応の進行に支障が生じる。 If the supply of the reactant depends only on the porous structure of the reaction electrodes 11 and 12, as described above, the diffusion rate in the porous structure is slow, so that the three-phase interface that becomes the reaction progress field is formed. The reactants cannot be supplied smoothly, which hinders the progress of the reaction.

しかし、実施形態のＭＥＡ１０では、ガス拡散層１５に、厚み方向に抜ける貫通孔１５１が分布形成されていることにより、反応剤は、拡散層１５の表面と貫通孔１５１の内壁面の両面から拡散層１５内に移動して拡散する。この多面的な拡散移動は貫通孔１５１ごとに行われる。したがって、その貫通孔１５１が分布形成されているガス拡散層１５全体で多面的な拡散移動が行われる。これにより、反応剤が多孔質の微細孔を迷走移動する距離が大幅に短縮され、結果的に反応剤の拡散移動が加速される効果が得られる。 However, in the MEA 10 of the embodiment, the through holes 151 extending in the thickness direction are distributed in the gas diffusion layer 15, so that the reactant diffuses from both the surface of the diffusion layer 15 and the inner wall surface of the through hole 151. It moves into the layer 15 and diffuses. This multi-faceted diffusion movement is performed for each through-hole 151. Therefore, multi-faceted diffusion movement is performed in the entire gas diffusion layer 15 in which the through holes 151 are distributed. As a result, the distance over which the reactive agent strays and moves through the porous micropores is significantly shortened, and as a result, the effect of accelerating the diffusional movement of the reactive agent is obtained.

ガス拡散層１５内に拡散した反応剤は触媒層１４に移動し、その触媒層１４内を拡散して反応の進行場に達するが、その触媒層１４には面方向への流路をなす溝１４１が形成されているので、その触媒層１４においても、反応剤は、触媒層１４の表面と溝１４１の内壁面の両面から触媒層１４内に移動して拡散する。つまり、触媒層１４においても、その触媒層１４全体で多面的な拡散移動が行われて、反応剤が多孔質の微細孔を迷走移動する距離が大幅に短縮され、結果的に反応剤の拡散移動が加速される効果が得られる。 The reactant diffused in the gas diffusion layer 15 moves to the catalyst layer 14 and diffuses in the catalyst layer 14 to reach the reaction progress field. The catalyst layer 14 has a groove forming a flow path in the surface direction. Since the 141 is formed, also in the catalyst layer 14, the reactant moves and diffuses into the catalyst layer 14 from both the surface of the catalyst layer 14 and the inner wall surface of the groove 141. That is, in the catalyst layer 14 as well, multifaceted diffusion movement is performed throughout the catalyst layer 14, and the distance that the reactant strays and moves through the porous micropores is greatly shortened, resulting in diffusion of the reactant. The effect that the movement is accelerated is obtained.

上記により、反応剤は、反応極１１，１２の多孔質構造を粗くしなくても、反応の進行場へ円滑かつ迅速に供給されるようになる。しかし、ここで注目すべきことは、その円滑かつ迅速な供給は、上述した多面的な拡散移動が、ガス拡散層１５と触媒層１４の両方で同時に行われることによりはじめて成立する、ということである。 As described above, the reactant can be smoothly and promptly supplied to the reaction progress field without roughening the porous structure of the reaction electrodes 11 and 12. However, what should be noted here is that the smooth and rapid supply is established only when the above-described multi-faceted diffusion movement is performed simultaneously in both the gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 14. is there.

すなわち、ガス拡散層１５に貫通孔１５１を分布形成するだけでは、そのガス拡散層１５から触媒層１４への反応剤の移動が円滑に行われず、反応の進行場への反応剤供給に支障が生じてしまう。また、触媒層１４に上記溝１４１を形成するだけでは、ガス拡散層１５から触媒層１４へ移動する反応剤が不足し、反応の進行場への反応剤供給に支障が生じてしまう。 That is, the distribution of the through holes 151 in the gas diffusion layer 15 does not smoothly move the reactants from the gas diffusion layer 15 to the catalyst layer 14, which hinders the supply of the reactants to the reaction progress field. It will occur. Further, if the groove 141 is simply formed in the catalyst layer 14, the reactant that moves from the gas diffusion layer 15 to the catalyst layer 14 is insufficient, and the supply of the reactant to the reaction progress field is hindered.

ガス拡散層１５に貫通孔１５１を分布形成する構成と、触媒層１４に上記溝１４１を形成する構成は、両者を一緒に設けることによってその有効性が相乗的に高められることが、本発明者等によって明らかにされた。また、ガス拡散層１５の貫通孔１５１と触媒層１４の溝１４１は、アノードとカソードの両極１１，１２側にて共に形成することで、酸化還元の発電反応を向上させる効果を相乗的に高められることが判明した。 It is the present inventor that the effectiveness of the configuration in which the through holes 151 are distributed in the gas diffusion layer 15 and the configuration in which the grooves 141 are formed in the catalyst layer 14 are synergistically enhanced by providing both together. Etc. were revealed. Further, the through hole 151 of the gas diffusion layer 15 and the groove 141 of the catalyst layer 14 are formed together on both the anode 11 and cathode 11 and 12 sides, thereby synergistically enhancing the effect of improving the power generation reaction of redox. Turned out to be.

本発明は、上述した構成により、電解質膜１３に固体高分子膜を用いた燃料電池用のＭＥＡ１０において、発電反応の進行場である三相界面の形成を阻害することなく、燃料物質や酸素などの反応剤をその三相界面へ円滑かつ迅速に供給させることを可能にしている。これにより、燃料電池の発電出力を大幅に向上させることが可能になる。 In the MEA 10 for a fuel cell using the solid polymer film as the electrolyte membrane 13 according to the above-described configuration, the present invention does not obstruct the formation of the three-phase interface that is the progress field of the power generation reaction, and the fuel substance, oxygen, It is possible to smoothly and quickly supply the reactants to the three-phase interface. As a result, the power generation output of the fuel cell can be greatly improved.

貫通孔１５１は、図示例では、円形断面の孔がガス拡散層１５を垂直に貫通する形状となっているが、矩形あるいはその他の異形状の断面形状であってもよい。また、拡散層１５を斜め方向に貫通する形状、あるいは、断面径や断面形状が深さで変化する形状であってもよい。 In the illustrated example, the through hole 151 has a shape in which a hole having a circular cross section vertically penetrates the gas diffusion layer 15. However, the through hole 151 may have a rectangular or other different cross sectional shape. Moreover, the shape which penetrates the diffused layer 15 in the diagonal direction, or the shape where a cross-sectional diameter and a cross-sectional shape change with depth may be sufficient.

溝１４１は、図示例では方形格子状の平面パターンをなすように形成されているが、その平面パターンは、たとえばジクザク状あるいは螺旋状に屈曲する１本の溝であってもよい。溝１４１の断面形状については、図示例では矩形断面となっているが、半円等のその他の断面形状でもよい。また、図示例では、溝の底が厚み方向に抜けてスリットを形成しているが、溝の底を残した形状であってもよい。 In the illustrated example, the grooves 141 are formed so as to form a square lattice-like planar pattern, but the planar pattern may be, for example, a single groove bent in a zigzag shape or a spiral shape. The cross-sectional shape of the groove 141 is a rectangular cross section in the illustrated example, but may be other cross-sectional shapes such as a semicircle. In the illustrated example, the bottom of the groove is formed in the thickness direction so as to form a slit. However, the slit may have a shape that leaves the bottom of the groove.

図２は、本発明に係るＭＥＡの第２実施形態を示す。同図において、（ａ）は模式化断面図、（ｂ）そのＡ矢視面図、（ｃ）はその部分斜視図をそれぞれ示す。 FIG. 2 shows a second embodiment of the MEA according to the present invention. In the same figure, (a) is a schematic cross-sectional view, (b) a view from the A direction, and (c) a partial perspective view.

第１実施形態との相違点に着目して説明すると、この第２実施形態のＭＥＡ１０では、同図に示すように、ガス拡散層１５の貫通孔１５１が触媒層１４の溝１４１に位置対応して配設されている。つまり、貫通孔１５１と溝１４１の位置が重なっている。 To explain the difference from the first embodiment, in the MEA 10 of the second embodiment, the through-hole 151 of the gas diffusion layer 15 corresponds to the groove 141 of the catalyst layer 14 as shown in FIG. Arranged. That is, the positions of the through hole 151 and the groove 141 overlap.

これにより、燃料や酸素などの反応剤は、ガス拡散層１５全体に多面的に拡散移動して結果的にその拡散移動が加速されるとともに、その一部は貫通孔１５１から溝１４１に直接移動し、その溝１４１内を面方向に移動して触媒層１４全体に非常に迅速に行き渡るようになる。この結果、反応の進行場への反応剤の供給をさらに円滑かつ迅速に行わせることができるようになる。 As a result, reactants such as fuel and oxygen diffuse and move in a multifaceted manner throughout the gas diffusion layer 15, and as a result, the diffusion movement is accelerated, and a part of the reactant moves directly from the through hole 151 to the groove 141. Then, it moves in the surface direction in the groove 141 and reaches the entire catalyst layer 14 very quickly. As a result, it becomes possible to more smoothly and rapidly supply the reactant to the reaction progress field.

（実施例１）
空気極触媒層の作製：
Ｐｔ担持触媒（田中貴金属社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）と電解質溶液（デュポン社製ナフィオン＜デュポン社登録商標＞溶液ＤＥ２０１０＜デュポン社商品名＞）を混練して空気極触媒ペーストを調整した。この触媒ペーストをスクリーン印刷法によりポリプロピレンフィルム上に塗布し、１００℃にて１時間乾燥して所定の流路溝構造が形成された空気極触媒層を作製する。 (Example 1)
Preparation of air electrode catalyst layer:
An air electrode catalyst paste was prepared by kneading a Pt-supported catalyst (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and an electrolyte solution (Nafion manufactured by DuPont <registered trademark of DuPont> solution DE2010 <trade name of DuPont>). This catalyst paste is applied onto a polypropylene film by a screen printing method and dried at 100 ° C. for 1 hour to produce an air electrode catalyst layer in which a predetermined channel groove structure is formed.

燃料極触媒層の作製：
次に、Ｐｔ担持触媒（田中貴金属社製ＴＥＣ６１Ｅ５４）と電解質溶液（デュポン社製ナフィオン＜デュポン社登録商標＞溶液ＤＥ２０１０＜デュポン社商品名＞）を混練して燃料極触媒ペーストを調整した。この触媒ペーストをスクリーン印刷法によりポリプロピレンフィルム上に塗布し、１００℃にて１時間乾燥して所定の流路溝構造が形成された燃料極触媒層を作製する。 Fabrication of anode catalyst layer:
Next, a fuel electrode catalyst paste was prepared by kneading a Pt-supported catalyst (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and an electrolyte solution (Nafion manufactured by DuPont <registered trademark of DuPont> solution DE2010 <trade name of DuPont>). This catalyst paste is applied onto a polypropylene film by a screen printing method and dried at 100 ° C. for 1 hour to produce a fuel electrode catalyst layer in which a predetermined channel groove structure is formed.

電解質触媒層接合体の作製：
上記にて作製した空気極触媒層と燃料極触媒層をそれぞれ３０ｍｍｘ３０ｍｍの寸法に裁断し、固体電解質ナフィオン（デュポン社登録商標）ＮＦ１１７（デュポン社商品名）を介して互いに対抗するように配置し、１４０℃にて５分間ホットプレスすることで空気極触媒層と燃料極触媒層を電解質膜に転写し、電解質触媒層接合体を作製する。 Preparation of electrolyte catalyst layer assembly:
The air electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer prepared above are each cut to a size of 30 mm × 30 mm and arranged so as to oppose each other via a solid electrolyte Nafion (registered trademark of DuPont) NF117 (trade name of DuPont). The air electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer are transferred to the electrolyte membrane by hot pressing at 140 ° C. for 5 minutes to produce an electrolyte catalyst layer assembly.

ＭＥＡの作製：
作製した電解質触媒層接合体に、あらかじめ貫通孔を分布形成したガス拡散層（東レ社製カーボンペーパ）をホットプレスで接合することにより、図１に示す構成のＭＥＡ（膜電極接合体）を作製した。 Production of MEA:
A MEA (membrane electrode assembly) having the structure shown in FIG. 1 is manufactured by bonding a gas diffusion layer (carbon paper manufactured by Toray Industries, Inc.) having through holes distributed in advance to the manufactured electrolyte catalyst layer assembly by hot pressing. did.

（実施例２）
膜電極接合体の形成において、作製した電解質触媒層接合体に、あらかじめ貫通孔を分布形成したガス拡散層（東レ社製カーボンペーパ）を、ガス拡散層の貫通孔が触媒層の溝位置と一致するように配置し、ホットプレスで接合することにより、図２に示す構成の膜電極接合体を作製した。その他は実施例１と同様の方法で作製した。 (Example 2)
In the formation of the membrane electrode assembly, a gas diffusion layer (carbon paper manufactured by Toray Industries, Inc.) in which through holes are distributed in advance is added to the prepared electrolyte catalyst layer assembly. The membrane / electrode assembly having the configuration shown in FIG. 2 was prepared by arranging as described above and bonding by hot pressing. Others were produced in the same manner as in Example 1.

（比較例１）
図４に示すように、アノード極１１とカソード極１２のいずれにも触媒層１４の溝とガス拡散層１５の貫通孔を形成していないＭＥＡ１０を作製した。その他は実施例１と同様の方法で作製した。 (Comparative Example 1)
As shown in FIG. 4, an MEA 10 in which the groove of the catalyst layer 14 and the through hole of the gas diffusion layer 15 were not formed in any of the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 was produced. Others were produced in the same manner as in Example 1.

（比較例２）
図５の（ａ）に示すように、アノード極１１のガス拡散層１５だけに貫通孔１５１を分布形成し、その他は比較例１と同様に作製した。 (Comparative Example 2)
As shown in FIG. 5A, through holes 151 were distributed only in the gas diffusion layer 15 of the anode 11, and the others were produced in the same manner as in Comparative Example 1.

（比較例３）
図５の（ｂ）に示すように、アノード極１１の触媒層１４だけに溝１４１を形成し、その他は比較例１と同様に作製した。 (Comparative Example 3)
As shown in FIG. 5B, the groove 141 was formed only in the catalyst layer 14 of the anode 11, and the others were produced in the same manner as in Comparative Example 1.

特性評価：
実施例１，２および比較例１〜３にて作製したＭＥＡをそれぞれ、一対のセパレータで挟み込んで燃料電池の評価セルを作製した。セパレータは反応剤をＭＥＡの反応極表面に供給するためのものである。このセパレータを介して、空気極には酸素、燃料極にはメタノールガスをそれぞれ供給して放電試験を行った。 Characterization:
The MEAs produced in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 were each sandwiched between a pair of separators to produce fuel cell evaluation cells. The separator is for supplying a reactant to the reaction electrode surface of the MEA. A discharge test was conducted by supplying oxygen to the air electrode and methanol gas to the fuel electrode through the separator.

図３は各評価セルの放電試験結果をそれぞれ示す。同図は、電流密度に対する放電出力の変化状態を評価セルごとにプロットしたグラフを示す。 FIG. 3 shows the discharge test results of each evaluation cell. The figure shows a graph in which the change state of the discharge output with respect to the current density is plotted for each evaluation cell.

同図からも明らかなように、実施例１と２の評価セルは、比較例１〜３のものに比べて、放電特性が大幅に向上している。 As is clear from the figure, the discharge characteristics of the evaluation cells of Examples 1 and 2 are significantly improved as compared with those of Comparative Examples 1 to 3.

さらに、実施例１と２の間では、実施例２の放電性能が有意にすぐれているが、これは、ガス拡散層の貫通孔と触媒層の溝位置を一致するように配置したことによる効果と考えられる。 Further, between Examples 1 and 2, the discharge performance of Example 2 is significantly superior, but this is the effect of arranging the through holes of the gas diffusion layer and the groove positions of the catalyst layer to coincide with each other. it is conceivable that.

本発明に係るＭＥＡの第１実施形態を示す図である。It is a figure showing a 1st embodiment of MEA concerning the present invention. 本発明に係るＭＥＡの第２実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of MEA which concerns on this invention. 本発明に係るＭＥＡと従来のＭＥＡの放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic of MEA which concerns on this invention, and conventional MEA. 従来のＭＥＡの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional MEA. 本発明に先だって検討されたＭＥＡの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of MEA examined prior to this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１アノード極（燃料極／反応極）
１２カソード極（空気極／反応極）
１３電解質膜
１４触媒層
１４１溝
１５ガス拡散層
１５１貫通孔 10 MEA (membrane electrode assembly)
11 Anode electrode (fuel electrode / reaction electrode)
12 Cathode electrode (air electrode / reaction electrode)
13 Electrolyte membrane 14 Catalyst layer 141 Groove 15 Gas diffusion layer 151 Through-hole

Claims

固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層からなる反応極が接合された燃料電池用の膜電極接合体において、上記ガス拡散層には厚み方向に抜ける貫通孔が分布形成され、かつ、上記触媒層には面方向への流路をなす溝が形成されていることを特徴とする膜電極接合体。 In a membrane electrode assembly for a fuel cell in which a reaction electrode comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer is joined to both surfaces of an electrolyte membrane comprising a solid polymer membrane, the gas diffusion layer is distributed with through-holes extending in the thickness direction. A membrane electrode assembly, wherein the catalyst layer is formed with a groove forming a flow path in the surface direction.

請求項１において、ガス拡散層の貫通孔が触媒層の溝に位置対応して配設されていることを特徴とする膜電極接合体。 2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the through holes of the gas diffusion layer are disposed corresponding to the grooves of the catalyst layer.

請求項１または２のいずれかに記載の膜電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池。

A fuel cell using the membrane electrode assembly according to claim 1.