JP2009076451A - Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using same - Google Patents

Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using same Download PDF

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Takashi Chigusa
尚 千草
Katsumi Ichikawa
勝美 市川
Hitoshi Koda
仁 甲田
Akiko Fujisawa
晶子 藤澤
Shinichi Onodera
小野寺　　真一
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell, which stably maintains a high output density while improving efficiency of a catalytic reaction and suppressing a crossover. <P>SOLUTION: The membrane-electrode assembly for a fuel cell includes: a fuel electrode having a fuel electrode catalyst layer containing an anode catalyst metal and a fuel electrode gas diffusion layer provided on one side of the fuel electrode catalyst layer; an air electrode having an air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst metal and an air electrode gas diffusion layer provided on one side of the air electrode catalyst layer; and an electrolyte membrane interposed between the fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode catalyst layer of the air electrode. A density of the cathode catalyst metal of the air electrode catalyst layer is less than that of the anode catalyst metal of the fuel electrode catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用電極膜接合体、特に小型の液体燃料直接供給型の燃料電池用電極膜接合体およびそれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrode membrane assembly for a fuel cell, and more particularly to a small liquid fuel direct supply type fuel cell electrode membrane assembly and a fuel cell using the same.

近年、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さがなく、有機燃料を改質して水素を作り出す装置などが必要ないため小型化にも優れている。   In recent years, small fuel cells have attracted attention in place of lithium ion secondary batteries. In particular, direct methanol fuel cells (DMFC) using methanol as a fuel are less difficult to handle hydrogen gas than fuel cells using hydrogen gas, and devices that produce hydrogen by reforming organic fuels. Is also excellent for miniaturization.

ＤＭＦＣの概略的な原理は以下の通りである。燃料極では、メタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。空気極では、空気から得られる酸素、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。そして、外部回路を通る電子によって、電力が供給される。   The general principle of DMFC is as follows. At the fuel electrode, methanol is oxidatively decomposed to generate carbon dioxide, protons and electrons. In the air electrode, water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. Electric power is supplied by electrons passing through an external circuit.

これまでに開発されてきたＤＭＦＣは、上記のような原理で発電を行うためにメタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワを補器として備え、システム全体の構造が複雑であり、小型化を図ることが難しかった。   DMFCs that have been developed so far are equipped with a pump for supplying methanol and a blower for supplying air to generate electricity based on the above-described principle, and the overall structure of the system is complicated, and the size is reduced. It was difficult.

そこで、ＤＭＦＣを小型化するために以下のような技術が開発されている。たとえば、メタノールを供給するためにポンプを用いず、メタノール収容室と発電素子との間にメタノール分子を通す膜を設けてメタノールを透過させるようにし、メタノール収容室を発電素子の近傍まで近づけた小型ＤＭＦＣが知られている。また、空気を取り入れるためにブロワを用いず、発電素子に空気取り入れ口を直接取り付けた小型ＤＭＦＣが知られている。   In order to reduce the size of the DMFC, the following technology has been developed. For example, a small pump that does not use a pump to supply methanol, but has a membrane that allows methanol molecules to pass between the methanol storage chamber and the power generation element so that methanol can permeate, and the methanol storage chamber is brought close to the vicinity of the power generation element. DMFC is known. There is also known a small DMFC in which an air intake port is directly attached to a power generation element without using a blower for taking in air.

特許文献１には、メタノール収容室と燃料極との間に多孔体を設置し、メタノール供給量を制御する技術が開示されている。   Patent Document 1 discloses a technique in which a porous body is installed between a methanol storage chamber and a fuel electrode to control the amount of methanol supplied.

特許文献２には、空孔をもつカーボン基材に触媒を含浸させた触媒層が開示され、かつ電解質膜に直接触媒を形成する方法が開示されている。
特開２００４−１７１８４４号公報 米国特許第６，２２１，５２３号明細書 Patent Document 2 discloses a catalyst layer obtained by impregnating a carbon base material having pores with a catalyst, and a method of directly forming a catalyst on an electrolyte membrane.
JP 2004-171844 A US Pat. No. 6,221,523

しかし、上述した従来の燃料電池は、構造が簡略化された代わりに以下のような問題が生じていた。たとえば、反応によって生成した水が燃料に混入して燃料濃度が低下し、発電素子に一定濃度の燃料を供給することが困難であった。空気の自然流入に任せて空気を取り入れているため、高い出力密度を安定に得ることが困難であった。空孔をもつカーボン基体に触媒を含浸させた触媒層のみでは触媒反応が不十分であった。アノード側で供給される気化燃料が電解質膜を直接素通りしてカソードで反応する、いわゆる「クロスオーバー」が発生して高い出力密度を得ることが困難であった。   However, the conventional fuel cell described above has the following problems in place of the simplified structure. For example, the water produced by the reaction is mixed with the fuel and the fuel concentration decreases, making it difficult to supply a constant concentration of fuel to the power generation element. Since the air is taken into the natural inflow, it is difficult to stably obtain a high power density. The catalytic reaction was insufficient only with the catalyst layer in which the catalyst was impregnated with the carbon substrate having pores. The vaporized fuel supplied on the anode side passes through the electrolyte membrane directly and reacts at the cathode, so-called “crossover” occurs, and it is difficult to obtain a high power density.

また、上述した従来の燃料電池では、空気極での反応時に生じる水が蒸発し、特に燃料濃度の高いメタノールを用いた場合には空気極で生じた水が燃料極側に還流されずに燃料極での発電効率が落ち、結果的に出力が低下するという問題があった。   Further, in the conventional fuel cell described above, water generated during the reaction at the air electrode evaporates, and in particular, when methanol having a high fuel concentration is used, the water generated at the air electrode is not recirculated to the fuel electrode side and is returned to the fuel electrode. There was a problem that the power generation efficiency at the pole was lowered, resulting in a decrease in output.

本発明の目的は、触媒反応の効率を上げるとともにクロスオーバーを抑えて、高い出力密度を安定に維持できる燃料電池用電極膜接合体を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an electrode membrane assembly for a fuel cell that can increase the efficiency of a catalytic reaction, suppress crossover, and stably maintain a high output density.

本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極膜接合体は、アノード触媒金属を含有する燃料極触媒層、および前記燃料極触媒層の一方の面に設けられた燃料極ガス拡散層を有する燃料極と、カソード触媒金属を含有する空気極触媒層、および前記空気極触媒層の一方の面に設けられた空気極ガス拡散層を有する空気極と、前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜とを具備し、前記空気極触媒層のカソード触媒金属密度は前記燃料極触媒層のアノード触媒金属密度よりも小さいことを特徴とする。   An electrode membrane assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a fuel electrode catalyst layer containing an anode catalyst metal, and a fuel electrode gas diffusion layer provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer. An air electrode having an electrode, an air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst metal, an air electrode gas diffusion layer provided on one surface of the air electrode catalyst layer, a fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode, and the air And an electrolyte membrane sandwiched between the electrode catalyst layer and the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is smaller than the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer.

本発明の他の実施形態に係る燃料電池用電極膜接合体は、アノード触媒金属を含有する燃料極触媒層、および前記燃料極触媒層の一方の面に設けられた燃料極ガス拡散層を有する燃料極と、カソード触媒金属を含有する空気極触媒層、ならびに前記空気極触媒層の一方の面に設けられた、撥水性を持たせた超微多孔層（ＭＰＬ）および空気極ガス拡散層を有する空気極と、前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜とを具備し、前記空気極触媒層のカソード触媒金属密度は前記燃料極触媒層のアノード触媒金属密度よりも小さいことを特徴とする。   An electrode membrane assembly for a fuel cell according to another embodiment of the present invention includes a fuel electrode catalyst layer containing an anode catalyst metal, and a fuel electrode gas diffusion layer provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer. A fuel electrode, an air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst metal, and a water-repellent super microporous layer (MPL) and an air electrode gas diffusion layer provided on one surface of the air electrode catalyst layer. And an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode catalyst layer of the air electrode, and the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is determined by the fuel electrode It is characterized by being smaller than the anode catalyst metal density of the catalyst layer.

本発明のさらに他の実施形態に係る燃料電池は、上記のいずれかに記載の燃料電池用電極膜接合体を用いたことを特徴とする。   A fuel cell according to still another embodiment of the present invention is characterized in that the electrode membrane assembly for a fuel cell according to any one of the above is used.

本発明の燃料電池用電極膜接合体は、触媒反応の効率を上げるとともにクロスオーバーを抑えて、高い出力密度を安定に維持できる。   The electrode membrane assembly for a fuel cell of the present invention can stably maintain a high output density by increasing the efficiency of the catalytic reaction and suppressing crossover.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池用電極膜接合体の断面図である。図１に示すように、燃料電池用電極膜接合体（ＭＥＡ）１は、燃料極触媒層１１および燃料極ガス拡散層１２を有する燃料極（アノード）１０と、空気極触媒層２１および空気極ガス拡散層２２を有する空気極（カソード）２０と、燃料極（アノード）１０の燃料極触媒層１１と空気極（カソード）２０の空気極触媒層２１との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜３０とを具備している。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a direct methanol fuel cell electrode membrane assembly according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) 1 includes a fuel electrode (anode) 10 having a fuel electrode catalyst layer 11 and a fuel electrode gas diffusion layer 12, an air electrode catalyst layer 21 and an air electrode. Protons (hydrogen ions) sandwiched between an air electrode (cathode) 20 having a gas diffusion layer 22, a fuel electrode catalyst layer 11 of the fuel electrode (anode) 10, and an air electrode catalyst layer 21 of the air electrode (cathode) 20. ) Conductive electrolyte membrane 30.

本発明においては、空気極触媒層２１のカソード触媒金属密度は燃料極触媒層１１のアノード触媒金属密度よりも小さい。空気極触媒層２１のカソード触媒金属密度は、燃料極触媒層１１のアノード触媒金属密度の６０％以上９０％以下であることが好ましい。   In the present invention, the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer 21 is smaller than the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer 11. The cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer 21 is preferably 60% or more and 90% or less of the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer 11.

図２は、本発明の他の実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池用電極膜接合体の断面図である。空気極触媒層は空気極ガス拡散層２２側の空気極触媒層２１ａと、電解質膜３０側の空気極触媒層２１ｂの２層構造になっており、カソード触媒金属密度は空気極触媒層２１ａと比較して空気極触媒層２１ｂの方が大きくなっている。燃料極触媒層は燃料極ガス拡散層１２側の燃料極触媒層１１ａと、電解質膜３０側の燃料極触媒層１１ｂの２層構造になっており、アノード触媒金属密度は燃料極触媒層１１ａと比較して燃料極触媒層１１ｂの方が大きくなっている。なお、空気極触媒層および燃料極触媒層のうち、いずれか一方のみが２層構造になっていてもよい。   FIG. 2 is a cross-sectional view of a direct methanol fuel cell electrode membrane assembly according to another embodiment of the present invention. The air electrode catalyst layer has a two-layer structure of an air electrode catalyst layer 21a on the air electrode gas diffusion layer 22 side and an air electrode catalyst layer 21b on the electrolyte membrane 30 side, and the cathode catalyst metal density is the same as that of the air electrode catalyst layer 21a. In comparison, the air electrode catalyst layer 21b is larger. The fuel electrode catalyst layer has a two-layer structure of a fuel electrode catalyst layer 11a on the fuel electrode gas diffusion layer 12 side and a fuel electrode catalyst layer 11b on the electrolyte membrane 30 side, and the anode catalyst metal density is the same as that of the fuel electrode catalyst layer 11a. In comparison, the fuel electrode catalyst layer 11b is larger. Only one of the air electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer may have a two-layer structure.

図３は、本発明のさらに他の実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池用電極膜接合体の断面図である。図３においては、空気極２０が、カソード触媒金属を含有する空気極触媒層２１、超微多孔層２３および空気極ガス拡散層２２を有する。その他の構成は図１と同様である。   FIG. 3 is a cross-sectional view of a direct methanol fuel cell electrode membrane assembly according to still another embodiment of the present invention. In FIG. 3, the air electrode 20 has an air electrode catalyst layer 21 containing a cathode catalyst metal, an ultrafine porous layer 23, and an air electrode gas diffusion layer 22. Other configurations are the same as those in FIG.

燃料極触媒層１１および空気極触媒層２１の触媒としては、たとえば白金族元素であるＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄなどの単体金属、白金族元素を含有する合金などが挙げられる。燃料極側の触媒はメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなどが好ましく、空気極側の触媒は白金やＰｔ−Ｎｉなどが好ましいが、これらに限定されない。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒でもよいし、無担持触媒でもよい。   Examples of the catalyst of the fuel electrode catalyst layer 11 and the air electrode catalyst layer 21 include simple metals such as platinum group elements such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, and alloys containing platinum group elements. The catalyst on the fuel electrode side is preferably Pt—Ru or Pt—Mo having strong resistance to methanol or carbon monoxide, and the catalyst on the air electrode side is preferably platinum or Pt—Ni, but is not limited thereto. The catalyst may be a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst.

電解質膜３０を構成するプロトン伝導性材料としては、スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体などのフッ素系樹脂（たとえばデュポン社製のナフィオン（登録商標）、旭硝子社製のフレミオン（登録商標）など）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物などが挙げられるが、これらに限定されない。   Examples of proton conductive materials constituting the electrolyte membrane 30 include fluorine resins such as perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Etc.), hydrocarbon resins having a sulfonic acid group, inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid, and the like, but are not limited thereto.

燃料極触媒層１１に積層された燃料極ガス拡散層１２は、燃料極触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすとともに、燃料極触媒層１１の集電体も兼ねている。一方、空気極触媒層２１に積層された空気極ガス拡散層２２は、空気極触媒層２１に酸化剤を均一に供給する役割を果たすとともに空気極触媒層２１の集電体も兼ねている。   The fuel electrode gas diffusion layer 12 stacked on the fuel electrode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the fuel electrode catalyst layer 11 and also serves as a current collector for the fuel electrode catalyst layer 11. On the other hand, the air electrode gas diffusion layer 22 laminated on the air electrode catalyst layer 21 serves to uniformly supply the oxidant to the air electrode catalyst layer 21 and also serves as a current collector for the air electrode catalyst layer 21.

次に、本発明に係る燃料電池用電極膜接合体１の作用を説明する。
気化した液体燃料（たとえばメタノールなど）は燃料極ガス拡散層１２中を拡散して燃料極触媒層１１に供給される。燃料極触媒層１１に供給された燃料は次式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。 Next, the operation of the fuel cell electrode membrane assembly 1 according to the present invention will be described.
The vaporized liquid fuel (for example, methanol) diffuses in the anode gas diffusion layer 12 and is supplied to the anode catalyst layer 11. The fuel supplied to the fuel electrode catalyst layer 11 causes an internal reforming reaction of methanol represented by the following formula (1).

ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- （１）
液体燃料として純メタノールを使用した場合には水蒸気の供給がないため、メタノールは空気極触媒層２１で生成した水や電解質膜３０中の水などと上記の式（１）の内部改質反応を生じるか、または式（１）以外の水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じる。 CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
When pure methanol is used as the liquid fuel, there is no supply of water vapor, so the methanol undergoes an internal reforming reaction of the above formula (1) with water generated in the air electrode catalyst layer 21 or water in the electrolyte membrane 30. The internal reforming reaction occurs through other reaction mechanisms that do not require water other than formula (1).

内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ+）は電解質膜３０を伝導し、空気極触媒層２１に到達する。空気極ガス拡散層２２から供給される空気は、空気極ガス拡散層２２中を拡散して空気極触媒層２１に供給される。空気極触媒層２１に供給された空気は、次式（２）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。 Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the electrolyte membrane 30 and reach the air electrode catalyst layer 21. The air supplied from the air electrode gas diffusion layer 22 diffuses through the air electrode gas diffusion layer 22 and is supplied to the air electrode catalyst layer 21. The air supplied to the air electrode catalyst layer 21 causes the reaction shown in the following formula (2). By this reaction, water is generated and a power generation reaction occurs.

（３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ- → ３Ｈ2Ｏ （２）
ここで、燃料極触媒層のアノード触媒金属密度が空気極触媒層のカソード触媒金属密度と比較して同等または小さい場合には、空気極で必要とされるプロトンを十分供給できなくなり、気化した液体燃料が直接空気極へ供給されるクロスオーバーが多くなり、余分な水が生成してフラッディングも多くなるため、十分な出力を得ることができない。 (3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
Here, when the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer is equal to or smaller than the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer, it is not possible to sufficiently supply protons required by the air electrode, and the vaporized liquid Since the crossover in which the fuel is directly supplied to the air electrode increases, excess water is generated and the flooding increases, a sufficient output cannot be obtained.

これに対して、空気極触媒層のカソード触媒金属密度を燃料極触媒層のアノード触媒金属密度よりも小さくすると、空気極で必要とされるプロトンを十分に供給でき、クロスオーバーを低減することができる。また、余分な水の生成を抑えてフラッディングも抑えることができる。   In contrast, if the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is made smaller than the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer, the protons required at the air electrode can be sufficiently supplied, and crossover can be reduced. it can. In addition, flooding can be suppressed by suppressing generation of excess water.

本発明者らは、空気極触媒層のカソード触媒金属密度が、燃料極触媒層のアノード触媒金属密度の６０％以上９０％以下にすれば、高い出力が得られることがわかっている。   The present inventors have found that a high output can be obtained when the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is 60% or more and 90% or less of the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer.

また、図２に示したように、空気極触媒層のカソード触媒金属密度を空気極ガス拡散層側に比較して電解質膜側で大きくする、および／または、燃料極触媒層のアノード触媒金属密度を燃料極ガス拡散層側に比較して電解質膜側で大きくすると、より高い出力が得られる。   In addition, as shown in FIG. 2, the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is increased on the electrolyte membrane side as compared with the air electrode gas diffusion layer side, and / or the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer. If the value is increased on the electrolyte membrane side compared to the fuel electrode gas diffusion layer side, higher output can be obtained.

本発明において、触媒層中の触媒金属密度は、ＳＥＭのＥＰＭＡ分析により以下のようにして求めることができる。   In this invention, the catalyst metal density in a catalyst layer can be calculated | required as follows by the EPMA analysis of SEM.

（１）ある触媒層のサンプルの断面から触媒層の膜厚を測定する。（２）同じサンプルの一部（表面）からある面積の触媒層をカッター等により削り取り、窒素を充填した１５０℃の乾燥炉で乾燥して重量を測定する。これらの測定から、触媒層の密度を求めることができる。（３）測定したサンプルの一部を、ＳＩＩエスアイアイ・ナノテクノロジー社製ＴＧ／ＤＴＡ３００により窒素雰囲気下において５℃／ｍｉｎで室温から６００℃まで加熱することで熱分析し、その結果から触媒層中の金属量を測定する。すなわち加熱後の重量残部が金属量となり、全体に対する金属重量％を求めることができる。これらの測定から、触媒相中の金属の重量％を求めることができる。（４）残った金属（残渣）を島津製作所製、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ−１６１０）を使用し、加速電圧１５．０ｋＶ、照射電流３０ｎＡ、ビームサイズ１μｍの条件で測定して、その強度比率から触媒層の触媒金属量を算出し、金属（白金、ルテニウム、およびその他不純物）の比率を求める。以上の測定によって、触媒層の触媒金属密度（ｍｇ／ｍｍ3）を算出することができる。 (1) The thickness of the catalyst layer is measured from the cross section of a sample of a certain catalyst layer. (2) A catalyst layer of a certain area from a part (surface) of the same sample is scraped off by a cutter or the like, and dried in a drying furnace at 150 ° C. filled with nitrogen, and the weight is measured. From these measurements, the density of the catalyst layer can be determined. (3) A part of the measured sample was thermally analyzed by heating from room temperature to 600 ° C. at 5 ° C./min in a nitrogen atmosphere with TG / DTA300 manufactured by SII SII Nanotechnology, and the catalyst layer was obtained from the result. Measure the amount of metal in it. That is, the remaining weight after heating becomes the amount of metal, and the metal weight% relative to the whole can be obtained. From these measurements, the weight percentage of the metal in the catalyst phase can be determined. (4) The remaining metal (residue) was measured using an electron beam microanalyzer (EPMA-1610) manufactured by Shimadzu Corporation under the conditions of an acceleration voltage of 15.0 kV, an irradiation current of 30 nA, and a beam size of 1 μm, and the intensity ratio. From this, the amount of catalyst metal in the catalyst layer is calculated, and the ratio of metals (platinum, ruthenium, and other impurities) is obtained. From the above measurement, the catalyst metal density (mg / mm 3 ) of the catalyst layer can be calculated.

ここで、触媒層の膜厚は、以下の方法により測定することができる。ＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込む。この樹脂に埋め込んだＭＥＡをその断面が平坦になるよう研磨し測定試料とする。例えば電極が矩形状の場合、長手方向と直交する方向の中央部において長手方向と平行に切断する。そして、その切断面の中央部および両端から長手方向の長さの１０％中央寄りの位置の合計３箇所の切断面を取り出す。以降の結果は、それら３箇所の平均値とする。   Here, the film thickness of the catalyst layer can be measured by the following method. The MEA is taken out of the cell, cut and embedded in the resin so that the cross section can be seen. The MEA embedded in the resin is polished so that the cross section becomes flat to obtain a measurement sample. For example, when the electrode has a rectangular shape, the electrode is cut parallel to the longitudinal direction at the center in the direction orthogonal to the longitudinal direction. Then, a total of three cut surfaces at positions near the center of 10% of the length in the longitudinal direction are taken out from the center and both ends of the cut surface. The subsequent results are the average values of these three locations.

測定試料について、切断面のＳＥＩ（２次電子像）、ＢＥＩ（反射電子像）によるＳＥＭ写真を確認し、視野で見られた像内の平均厚みを求める。平均厚みは、視野で得られた像内の最大厚みと最小厚みを含む１０箇所の厚みを測定し、その平均値とする。   About the measurement sample, SEM photographs by SEI (secondary electron image) and BEI (reflected electron image) of the cut surface are confirmed, and the average thickness in the image seen in the field of view is obtained. The average thickness is the average value obtained by measuring the thickness of 10 locations including the maximum thickness and the minimum thickness in the image obtained in the field of view.

なお、触媒層中の金属の含有率および触媒層の重量が既知である場合には、触媒層の膜厚を測定すれば、触媒層の触媒金属密度を算出することができる。   If the metal content in the catalyst layer and the weight of the catalyst layer are known, the catalyst metal density of the catalyst layer can be calculated by measuring the film thickness of the catalyst layer.

また、図３に示したように、空気極２０において、空気極触媒層２１と空気極ガス拡散層２２との間に撥水性を持たせた超微多孔層２３を挟持させると、さらに高い出力を得ることができる。撥水性を持たせた超微多孔層２３は、液体の水を透過せず、気体の水（水蒸気）を透過する性質を有する。超微多孔層２３は、カーボンペーパーなどの表面に導電性粒子たとえばグラファイト粒子を保持させた超微多孔層の形態で形成することができる。超微多孔層２３が上記の性質を発揮するには、使用する導電性粒子の粒径は５０μｍ〜１００μｍであることが好ましく、超微多孔層の孔径は５０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。また、空気極触媒層には、プロトン導電剤が含浸されていることが好ましい。   Further, as shown in FIG. 3, in the air electrode 20, when a microporous layer 23 having water repellency is sandwiched between the air electrode catalyst layer 21 and the air electrode gas diffusion layer 22, a higher output is obtained. Can be obtained. The microporous layer 23 having water repellency has a property of not transmitting liquid water but transmitting gaseous water (water vapor). The microporous layer 23 can be formed in the form of a microporous layer in which conductive particles such as graphite particles are held on the surface of carbon paper or the like. In order for the microporous layer 23 to exhibit the above properties, the conductive particles used preferably have a particle size of 50 μm to 100 μm, and the microporous layer preferably has a pore size of 50 nm to 100 μm. The air electrode catalyst layer is preferably impregnated with a proton conductive agent.

空気極触媒層２１と空気極ガス拡散層２２との間に撥水性を持たせた超微多孔層２３が形成されていると、特に燃料電池を５０℃以上の比較的高い温度で運転する場合に、生成した水の大部分を蒸発させることなく、電解質膜を通して燃料極へ戻すことができる。この結果、上記式（１）に示される反応に必要とされる量のＨ2Ｏが供給され、燃料極での十分な反応が行われるので、高出力が得られる。また、燃料極へ還流される水の量が多くなると、メタノールのクロスオーバー反応が抑制される。 When the microporous layer 23 having water repellency is formed between the air electrode catalyst layer 21 and the air electrode gas diffusion layer 22, particularly when the fuel cell is operated at a relatively high temperature of 50 ° C. or more. In addition, most of the generated water can be returned to the fuel electrode through the electrolyte membrane without evaporating. As a result, an amount of H 2 O required for the reaction represented by the above formula (1) is supplied and a sufficient reaction is performed at the fuel electrode, so that a high output can be obtained. Further, when the amount of water returned to the fuel electrode increases, the methanol crossover reaction is suppressed.

空気極における式（２）の反応を十分に起こすためには、空気極ガス拡散層の気孔率が８０％以上であることが好ましい。空気極ガス拡散層にはカーボンクロスを用いることが好ましい。   In order to sufficiently cause the reaction of the formula (2) in the air electrode, the porosity of the air electrode gas diffusion layer is preferably 80% or more. It is preferable to use carbon cloth for the air electrode gas diffusion layer.

なお、直接メタノール型の燃料電池では、液体燃料としてメタノール水溶液または純メタノールが用いられるが、液体燃料はこれらに限定されない。たとえば、エタノール水溶液や純エタノールなどのエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノールなどのプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコールなどのグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、またはその他の液体燃料であってもよい。また、本発明はパッシブ型の燃料電池に限らず、アクティブ型の燃料電池、燃料供給など一部にポンプを用いたセミパッシブ型の燃料電池にも適用することができ、パッシブ型の燃料電池の場合と同様の作用効果が得られる。   In a direct methanol fuel cell, an aqueous methanol solution or pure methanol is used as the liquid fuel, but the liquid fuel is not limited to these. For example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution or pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel may be used. The present invention can be applied not only to a passive type fuel cell but also to an active type fuel cell, a semi-passive type fuel cell using a pump in part such as a fuel supply, etc. The same effect as the case can be obtained.

以下、実施例に基づいて本発明を説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples.

（実施例１）
厚さ３６０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０、アルキメデス法による気孔率：７５％）を平板プレスにより厚さが１／２になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ４０．５％であった。気孔率は、カーボンの比重（２．０４５ｇ／ｃｍ3）と、カーボンペーパーの外形寸法および重量から得られた密度ｘとを用い、下記式により算出することができる。 Example 1
Carbon paper having a thickness of 360 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. The porosity can be calculated by the following formula using the specific gravity of carbon (2.045 g / cm 3 ) and the density x obtained from the outer dimensions and weight of the carbon paper.

気孔率＝（１−ｘ／２．０４５）×１００
このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体として２０％ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して５〜２０％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極（アノード）を作製した。 Porosity = (1-x / 2.045) × 100
This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer. A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, a 20% Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent are mixed with a homogenizer to prepare a slurry of 5 to 20% solid content. did. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.

厚さ３６０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０、アルキメデス法による気孔率：７５％）を空気極ガス拡散層に用いた。白金担持グラファイト粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して５〜２０％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極（カソード）を作製した。   Carbon paper having a thickness of 360 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. Platinum-supported graphite particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of 5 to 20%. This slurry was applied to one surface of the air electrode gas diffusion layer made of the carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.

空気極触媒層のカソード触媒金属密度および燃料極触媒層のアノード触媒金属密度は、それぞれこれらの層を形成する際に用いたスラリー中の固形分の含有量に応じて変化する。表１にカソード触媒金属密度およびアノード触媒金属密度を示す。   The cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer and the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer vary depending on the solid content in the slurry used to form these layers. Table 1 shows the cathode catalyst metal density and the anode catalyst metal density.

電解質膜としてナフィオン（登録商標）１１２（デュポン社製）を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体（ＭＥＡ）を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに１２ｃｍ2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.

このＭＥＡを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する２層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。ＭＥＡ、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。このとき、ＭＥＡの空気極側と一方のフレームとの間およびＭＥＡの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。   The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.

燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さ２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。   The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.

上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍＬ注入した。温度２５℃、相対湿度５０％の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。   5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of output density was calculated.

表１に、カソード触媒金属密度／アノード触媒金属密度の比率（％）、および最大出力密度（ｍＷ／ｃｍ2）を示す。 Table 1 shows the ratio (%) of the cathode catalyst metal density / anode catalyst metal density, and the maximum power density (mW / cm 2 ).

表１から以下のことがわかる。カソード触媒金属密度がアノード触媒金属密度よりも小さければ、最大出力密度が３０ｍＷ／ｃｍ2以上となる。さらに、カソード触媒金属密度／アノード触媒金属密度が６０〜９０％の範囲では、最大出力密度が３５ｍＷ／ｃｍ2以上となり、特に特性が良好である。

Figure 2009076451
Table 1 shows the following. If the cathode catalyst metal density is smaller than the anode catalyst metal density, the maximum power density is 30 mW / cm 2 or more. Furthermore, when the cathode catalyst metal density / anode catalyst metal density is in the range of 60 to 90%, the maximum output density is 35 mW / cm 2 or more, and the characteristics are particularly good.
Figure 2009076451

（実施例２）
厚さ３６０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０、アルキメデス法による気孔率：７５％）を平板プレスにより厚さが１／２になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ４０．５％であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して５％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して、燃料極ガス拡散層側の燃料極触媒層を１０μｍの厚さで形成した。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して１０〜２０％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、燃料極ガス拡散層側の燃料極触媒層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して、電解質膜側の燃料極触媒層を２５μｍの厚さで形成した。こうして合計厚さ３５μｍの燃料極触媒層を有する燃料極（アノード）を作製した。 (Example 2)
Carbon paper having a thickness of 360 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer. Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a 5% solids slurry. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer on the fuel electrode gas diffusion layer side with a thickness of 10 μm. Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a 10-20% solids slurry. This slurry was applied to the fuel electrode catalyst layer on the fuel electrode gas diffusion layer side using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer on the electrolyte membrane side with a thickness of 25 μm. Thus, a fuel electrode (anode) having a fuel electrode catalyst layer with a total thickness of 35 μm was produced.

厚さ３６０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０、アルキメデス法による気孔率：７５％）を空気極ガス拡散層に用いた。白金担持グラファイト粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して５％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して、空気極ガス拡散層側の空気極触媒層を１０μｍの厚さで形成した。白金担持グラファイト粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して１０〜２０％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、空気極ガス拡散層側の空気極触媒層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して、電解質膜側の空気極触媒層を２５μｍの厚さで形成した。こうして合計厚さ３５μｍの空気極触媒層を有する空気極（カソード）を作製した。   Carbon paper having a thickness of 360 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. Platinum-supported graphite particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a 5% solids slurry. This slurry was applied to one surface of the air electrode gas diffusion layer made of the carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer on the air electrode gas diffusion layer side with a thickness of 10 μm. A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a 10 to 20% solids slurry. This slurry was applied to the air electrode catalyst layer on the air electrode gas diffusion layer side using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer on the electrolyte membrane side with a thickness of 25 μm. Thus, an air electrode (cathode) having an air electrode catalyst layer with a total thickness of 35 μm was produced.

空気極ガス拡散層側の空気極触媒層のカソード触媒金属密度は０．９ｍｇ／ｍｍ2である。電解質膜側の空気極触媒層のカソード触媒金属密度は用いたスラリー中の固形分の含有量に応じて、０．８〜１．４ｍｇ／ｍｍ2の範囲で変化する。 The cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer on the air electrode gas diffusion layer side is 0.9 mg / mm 2 . The cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer on the electrolyte membrane side varies in the range of 0.8 to 1.4 mg / mm 2 depending on the solid content in the slurry used.

燃焼極ガス拡散層側の燃料極触媒層のアノード触媒金属密度は１．０ｍｇ／ｍｍ2である。電解質膜側の燃料極触媒層のアノード触媒金属密度は用いたスラリー中の固形分の含有量に応じて、０．９〜１．９ｍｇ／ｍｍ2の範囲で変化する。表２に電解質膜側のカソード触媒金属密度および空気極触媒層の平均のカソード触媒金属密度、ならびに電解質膜側のアノード触媒金属密度および燃料極触媒層の平均のアノード触媒金属密度を示す。 The anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer on the combustion electrode gas diffusion layer side is 1.0 mg / mm 2 . The anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer on the electrolyte membrane side varies in the range of 0.9 to 1.9 mg / mm 2 depending on the solid content in the slurry used. Table 2 shows the cathode catalyst metal density on the electrolyte membrane side and the average cathode catalyst metal density on the air electrode catalyst layer, and the anode catalyst metal density on the electrolyte membrane side and the average anode catalyst metal density on the fuel electrode catalyst layer.

電解質膜としてナフィオン（登録商標）１１２（デュポン社製）を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体（ＭＥＡ）を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに１２ｃｍ2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.

このＭＥＡを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する２層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。ＭＥＡ、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。このとき、ＭＥＡの空気極側と一方のフレームとの間およびＭＥＡの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。   The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.

燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さ２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。   The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.

上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍＬ注入した。温度２５℃、相対湿度５０％の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。   5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of output density was calculated.

表２に、カソード触媒金属密度（平均値）／アノード触媒金属密度（平均値）の比率（％）、および最大出力密度（ｍＷ／ｃｍ2）を示す。 Table 2 shows the ratio (%) of the cathode catalyst metal density (average value) / anode catalyst metal density (average value) and the maximum power density (mW / cm 2 ).

表２から以下のことがわかる。カソード触媒金属密度がアノード触媒金属密度よりも小さい場合には、最大出力密度が３０ｍＷ／ｃｍ2以上となる。また、空気極触媒層および燃料極触媒層のいずれでも、触媒金属密度がガス拡散層側に比較して電解質膜側で大きい場合には、３６ｍＷ／ｃｍ2以上の高い出力が得られる。さらに、カソード触媒金属密度／アノード触媒金属密度が６０〜９０％の範囲では、最大出力密度が３８ｍＷ／ｃｍ2以上となり、特に特性が良好である。

Figure 2009076451
Table 2 shows the following. When the cathode catalyst metal density is smaller than the anode catalyst metal density, the maximum output density is 30 mW / cm 2 or more. Further, in both the air electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer, when the catalyst metal density is higher on the electrolyte membrane side than on the gas diffusion layer side, a high output of 36 mW / cm 2 or more can be obtained. Furthermore, when the cathode catalyst metal density / anode catalyst metal density is in the range of 60 to 90%, the maximum output density is 38 mW / cm 2 or more, and the characteristics are particularly good.
Figure 2009076451

（実施例３）
厚さ３６０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０、アルキメデス法による気孔率：７５％）を平板プレスにより厚さが１／２になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ４０．５％であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して約１５％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極（アノード）を作製した。 (Example 3)
Carbon paper having a thickness of 360 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer. Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.

厚さ１００μｍ、気孔率７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−３０）を用意した。平均粒径４５ｎｍのグラファイト粒子（ＰＲＩＮＴＥＸ：デグサ社製）と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と溶媒とを混合して約１０％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーの一方の面にスプレーコートにより塗布した。これを常温で自然乾燥して撥水性を持たせた超微多孔層を形成した。白金微粒子を担持させたカーボン粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して約１５％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の超微多孔層上にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極（カソード）を作製した。   Carbon paper (TGP-H-30 manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 100 μm and a porosity of 75% was prepared. Graphite particles having an average particle size of 45 nm (PRINTEX: manufactured by Degussa), Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) and a solvent were mixed to prepare a slurry having a solid content of about 10%. This slurry was applied to one side of the carbon paper by spray coating. This was naturally dried at room temperature to form a super microporous layer having water repellency. Carbon particles carrying platinum fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied onto the above microporous layer using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.

スラリー中の固形分の含有量を調整して、空気極触媒層のカソード触媒金属密度および燃料極触媒層のアノード触媒金属密度を表３に示すように変化させた。   The solid content in the slurry was adjusted, and the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer and the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer were changed as shown in Table 3.

また、空気極ガス拡散層として、気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０６０）、気孔率が８３％のカーボンペーパー（ＳＧＬ製ＧＤＬ−３４ＢＡ）、および気孔率が８３％のカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ製）を用意した。   In addition, as an air electrode gas diffusion layer, carbon paper having a porosity of 75% (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.), carbon paper having a porosity of 83% (GDL-34BA manufactured by SGL), and a porosity of 83% carbon cloth (manufactured by E-TEK) was prepared.

電解質膜としてナフィオン（登録商標）１１２（デュポン社製）を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、さらに空気極の空気極触媒層と反対側の面に空気極ガス拡散層を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体（ＭＥＡ）を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに１２ｃｍ2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode is superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer is on the electrolyte membrane side, and an air electrode gas diffusion layer is further formed on the surface of the air electrode opposite to the air electrode catalyst layer. The layers were pressed under the conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.

このＭＥＡを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する２層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。ＭＥＡ、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。このとき、ＭＥＡの空気極側と一方のフレームとの間およびＭＥＡの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。   The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.

燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さ２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。   The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.

なお、表３において超微多孔層なしの例は、超微多孔層を用いることなく、空気極ガス拡散層として用いられる気孔率が８３％のカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ製）に空気触媒層を形成したものである。   In Table 3, an example without an ultra-microporous layer is an example in which an air catalyst layer is formed on a carbon cloth (manufactured by E-TEK) having a porosity of 83%, which is used as an air electrode gas diffusion layer, without using an ultra-microporous layer. Formed.

上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍＬ注入した。温度２５℃、相対湿度５０％の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。   5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated.

表３に、カソード触媒金属密度／アノード触媒金属密度の比率（％）、および最大出力密度（ｍＷ／ｃｍ2）を示す。 Table 3 shows the ratio (%) of the cathode catalyst metal density / anode catalyst metal density, and the maximum power density (mW / cm 2 ).

表３から以下のことがわかる。カソード触媒金属密度がアノード触媒金属密度よりも小さい場合、超微多孔層を有する燃料電池の方が、超微多孔層なしの燃料電池に比べて良好な特性を示している。特に、カソード触媒金属密度／アノード触媒金属密度が６０〜９０％の範囲では、最大出力密度が３８ｍＷ／ｃｍ2以上となり、特性が良好である。また、空気極ガス拡散層の気孔率が同一である場合、カーボンクロスを用いた場合の方がカーボンペーパーを用いた場合よりも良好な特性を示す。

Figure 2009076451
Table 3 shows the following. When the cathode catalyst metal density is lower than the anode catalyst metal density, the fuel cell having the ultrafine porous layer shows better characteristics than the fuel cell without the ultrafine porous layer. In particular, when the cathode catalyst metal density / anode catalyst metal density is in the range of 60 to 90%, the maximum output density is 38 mW / cm 2 or more, and the characteristics are good. In addition, when the porosity of the air electrode gas diffusion layer is the same, the characteristics when the carbon cloth is used show better characteristics than when the carbon paper is used.
Figure 2009076451

（実施例４）
厚さ３６０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０、アルキメデス法による気孔率：７５％）を平板プレスにより厚さが１／２になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ４０．５％であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して約１５％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極（アノード）を作製した。 Example 4
Carbon paper having a thickness of 360 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer. Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.

厚さ１００μｍ、気孔率７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−３０）を用意した。平均粒径４５ｎｍのグラファイト粒子（ＰＲＩＮＴＥＸ：デグサ社製）と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と溶媒とを混合して約１０％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーの一方の面にスプレーコートにより塗布した。これを常温で自然乾燥して撥水性を持たせた超微多孔層を形成した。ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と溶媒とを混合して約５％スラリーを調製した。このスラリーに、気孔率７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−３０）を浸漬し、常温で自然乾燥し、プロトン導電体を含浸したカーボンペーパーを作製した。白金微粒子を担持させたカーボン粒子と、ナフィオン（登録商標）溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と、溶媒とをホモジナイザで混合して約１５％固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、プロトン導電体を含浸したカーボンペーパーの一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極（カソード）を作製した。   Carbon paper (TGP-H-30 manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 100 μm and a porosity of 75% was prepared. Graphite particles having an average particle size of 45 nm (PRINTEX: manufactured by Degussa), Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed to prepare a slurry of about 10% solid content. This slurry was applied to one side of the carbon paper by spray coating. This was naturally dried at room temperature to form a super microporous layer having water repellency. Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) and a solvent were mixed to prepare a slurry of about 5%. Carbon paper having a porosity of 75% (TGP-H-30 manufactured by Toray Industries, Inc.) was immersed in this slurry, and naturally dried at room temperature to prepare a carbon paper impregnated with a proton conductor. Carbon particles carrying platinum fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont), and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to one surface of the carbon paper impregnated with the proton conductor using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.

スラリー中の固形分の含有量を調整して、空気極触媒層のカソード触媒金属密度および燃料極触媒層のアノード触媒金属密度を表４に示すように変化させた。   The solid content in the slurry was adjusted, and the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer and the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer were changed as shown in Table 4.

また、空気極ガス拡散層として、気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０６０）、気孔率が８３％のカーボンペーパー（ＳＧＬ製ＧＤＬ−３４ＢＡ）、および気孔率が８３％のカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ製）を用意した。   In addition, as an air electrode gas diffusion layer, a carbon paper with a porosity of 75% (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.), a carbon paper with a porosity of 83% (GDL-34BA manufactured by SGL), and a porosity of 83% carbon cloth (manufactured by E-TEK) was prepared.

電解質膜としてナフィオン（登録商標）１１２（デュポン社製）を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、さらに空気極の空気極触媒層と反対側の面に空気極ガス拡散層を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度１３５℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体（ＭＥＡ）を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに１２ｃｍ2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode is superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer is on the electrolyte membrane side, and an air electrode gas diffusion layer is further formed on the surface of the air electrode opposite to the air electrode catalyst layer. The layers were pressed under the conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.

このＭＥＡを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する２層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。ＭＥＡ、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。このとき、ＭＥＡの空気極側と一方のフレームとの間およびＭＥＡの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。   The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.

燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さ２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。   The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.

上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍＬ注入した。温度２５℃、相対湿度５０％の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。   5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of output density was calculated.

表４に、カソード触媒金属密度／アノード触媒金属密度の比率（％）、および最大出力密度（ｍＷ／ｃｍ2）を示す。 Table 4 shows the ratio (%) of the cathode catalyst metal density / anode catalyst metal density, and the maximum power density (mW / cm 2 ).

表４から以下のことがわかる。カソード触媒金属密度がアノード触媒金属密度よりも小さく、超微多孔層を有する燃料電池は最大出力密度３６ｍＷ／ｃｍ2以上の良好な特性を示している。特に、カソード触媒金属密度／アノード触媒金属密度が６０〜９０％の燃料電池は、最大出力密度が３８．５ｍＷ／ｃｍ2以上となり、特性が良好である。

Figure 2009076451
Table 4 shows the following. The fuel cell having a cathode catalyst metal density smaller than the anode catalyst metal density and having a microporous layer exhibits good characteristics with a maximum output density of 36 mW / cm 2 or more. In particular, a fuel cell having a cathode catalyst metal density / anode catalyst metal density of 60 to 90% has a maximum output density of 38.5 mW / cm 2 or more and good characteristics.
Figure 2009076451

本発明の一実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池用電極膜接合体の断面図。Sectional drawing of the electrode membrane assembly for direct methanol type fuel cells which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池用電極膜接合体の断面図。Sectional drawing of the electrode membrane assembly for direct methanol type fuel cells which concerns on other embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池用電極膜接合体の断面図。Sectional drawing of the electrode membrane assembly for direct methanol type fuel cells which concerns on other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池用電極膜接合体（ＭＥＡ）、１０…燃料極（アノード）、１１、１１ａ、１１ｂ…燃料極触媒層、１２…燃料極ガス拡散層、２０…空気極（カソード）、２１、２１ａ、２１ｂ…空気極触媒層、２２…空気極ガス拡散層、２３…超微多孔層、３０…電解質膜。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell electrode membrane assembly (MEA), 10 ... Fuel electrode (anode), 11, 11a, 11b ... Fuel electrode catalyst layer, 12 ... Fuel electrode gas diffusion layer, 20 ... Air electrode (cathode), 21, 21a, 21b ... air electrode catalyst layer, 22 ... air electrode gas diffusion layer, 23 ... ultra microporous layer, 30 ... electrolyte membrane.

Claims (10)

アノード触媒金属を含有する燃料極触媒層、および前記燃料極触媒層の一方の面に設けられた燃料極ガス拡散層を有する燃料極と、
カソード触媒金属を含有する空気極触媒層、および前記空気極触媒層の一方の面に設けられた空気極ガス拡散層を有する空気極と、
前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜と
を具備し、
前記空気極触媒層のカソード触媒金属密度は前記燃料極触媒層のアノード触媒金属密度よりも小さいことを特徴とする燃料電池用電極膜接合体。 A fuel electrode having an anode catalyst metal containing an anode catalyst metal, and a fuel electrode gas diffusion layer provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer;
An air electrode having a cathode catalyst metal, and an air electrode having an air electrode gas diffusion layer provided on one surface of the air electrode catalyst layer;
An electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode and an air electrode catalyst layer of the air electrode,
The electrode membrane assembly for a fuel cell, wherein the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is smaller than the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer. 前記空気極触媒層のカソード触媒金属密度は、前記空気極ガス拡散層側に比較して前記電解質膜側の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極膜接合体。   2. The electrode membrane assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is larger on the electrolyte membrane side than on the air electrode gas diffusion layer side. 前記燃料極触媒層のアノード触媒金属密度は、前記燃料極ガス拡散層側に比較して前記電解質膜側の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極膜接合体。   2. The electrode membrane assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer is larger on the electrolyte membrane side than on the fuel electrode gas diffusion layer side. 前記空気極触媒層のカソード触媒金属密度は、前記燃料極触媒層のアノード触媒金属密度の６０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用電極膜接合体。   4. The fuel according to claim 1, wherein a cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is 60% or more and 90% or less of an anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer. 5. Battery electrode membrane assembly. アノード触媒金属を含有する燃料極触媒層、および前記燃料極触媒層の一方の面に設けられた燃料極ガス拡散層を有する燃料極と、
カソード触媒金属を含有する空気極触媒層、ならびに前記空気極触媒層の一方の面に設けられた超微多孔層および空気極ガス拡散層を有する空気極と、
前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜と
を具備し、
前記空気極触媒層のカソード触媒金属密度は前記燃料極触媒層のアノード触媒金属密度よりも小さいことを特徴とする燃料電池用電極膜接合体。 A fuel electrode having an anode catalyst metal containing an anode catalyst metal, and a fuel electrode gas diffusion layer provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer;
An air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst metal, and an air electrode having a microporous layer and an air electrode gas diffusion layer provided on one surface of the air electrode catalyst layer;
An electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode and an air electrode catalyst layer of the air electrode,
The electrode membrane assembly for a fuel cell, wherein the cathode catalyst metal density of the air electrode catalyst layer is smaller than the anode catalyst metal density of the fuel electrode catalyst layer. 前記空気極ガス拡散層は、気孔率が８０％以上であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極膜接合体。   The electrode membrane assembly for a fuel cell according to claim 5, wherein the air electrode gas diffusion layer has a porosity of 80% or more. 前記空気極触媒層は、プロトン導電剤が含浸されていることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池用電極膜接合体。   7. The electrode membrane assembly for a fuel cell according to claim 5, wherein the air electrode catalyst layer is impregnated with a proton conductive agent. 前記超微多孔層は、導電性粒子を含むことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池用電極膜接合体。   The fuel cell electrode membrane assembly according to any one of claims 5 to 7, wherein the microporous layer contains conductive particles. 前記導電性粒子は、グラファイト粒子を含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極膜接合体。   The fuel cell electrode membrane assembly according to claim 8, wherein the conductive particles include graphite particles. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池用電極膜接合体を用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell electrode membrane assembly according to any one of claims 1 to 9.
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