JP2015079639A - Electrolyte membrane/electrode structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ、電極触媒層及びガス拡散層を有する電極を備える電解質膜・電極構造体に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes each having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane.
固体高分子型燃料電池のガス拡散層は、一般的に、カーボンペーパやカーボンクロス等から構成され、電解質膜・電極構造体の製造過程等において、電極触媒層を介して電解質膜に押圧される。この際、ガス拡散層のうねり等によって、電解質膜が物理的に変形する懸念がある。また、ガス拡散層の繊維が電極触媒層を貫通して電解質膜に突き刺さること等によって、電解質膜が物理的に損傷する懸念もある。以上のような事態が発生すると、電解質膜の劣化が促進されたり、反応ガスに対するガスバリア性が低下したりしてしまう可能性がある。従って、この種の燃料電池の電解質膜・電極構造体では、ガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形及び損傷を十分に抑制する必要がある。 The gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell is generally composed of carbon paper, carbon cloth, etc., and is pressed against the electrolyte membrane via the electrode catalyst layer in the manufacturing process of the electrolyte membrane / electrode structure. . At this time, there is a concern that the electrolyte membrane may be physically deformed due to the undulation of the gas diffusion layer. In addition, there is a concern that the electrolyte membrane may be physically damaged due to the fibers of the gas diffusion layer penetrating the electrode catalyst layer and sticking into the electrolyte membrane. When such a situation occurs, there is a possibility that the deterioration of the electrolyte membrane is promoted or the gas barrier property against the reaction gas is lowered. Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure of this type of fuel cell, it is necessary to sufficiently suppress physical deformation and damage of the electrolyte membrane due to the influence of the gas diffusion layer.
そこで、例えば、特許文献１には、電極触媒層の面方向の結合状態を強固にすることで、ガス拡散層の繊維が電極触媒層越しに電解質膜に突き刺さることを防止する方法が提案されている。具体的には、電極触媒層の積層方向に不連続な電解質高比率部を設けている。
Therefore, for example,
また、特許文献２では、電解質膜の外周縁部に対して、ガス拡散層の繊維が通過することを阻止するための補強材料を設けることが提案されている。一般的に、電解質膜・電極構造体では、電解質膜に比して電極触媒層の外形寸法が小さくなるように形成されている。このため、電解質膜の外周縁部は、電極触媒層の外周から外部に露呈しており、ガス拡散層の影響を受け易い。従って、上記の補強材料は、この電解質膜の外周縁部とガス拡散層の外周縁部との間に配置されて、該ガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を抑制する。具体的には、電解質膜の対向する２辺のみを電極触媒層の外周から外部に露出させる形状とし、該２辺側に補強材料を配置している。 Patent Document 2 proposes to provide a reinforcing material for preventing the fibers of the gas diffusion layer from passing through the outer peripheral edge of the electrolyte membrane. In general, the electrolyte membrane / electrode structure is formed so that the outer dimensions of the electrode catalyst layer are smaller than those of the electrolyte membrane. For this reason, the outer peripheral edge of the electrolyte membrane is exposed from the outer periphery of the electrode catalyst layer to the outside, and is easily affected by the gas diffusion layer. Accordingly, the reinforcing material is disposed between the outer peripheral edge of the electrolyte membrane and the outer peripheral edge of the gas diffusion layer, and suppresses physical deformation and damage of the electrolyte membrane due to the influence of the gas diffusion layer. . Specifically, only two opposing sides of the electrolyte membrane are exposed to the outside from the outer periphery of the electrode catalyst layer, and a reinforcing material is disposed on the two sides.
しかしながら、特許文献１、２のいずれに示す技術も、上記の通り、電極触媒層や電解質膜を特別な構成とする必要があること等から、電解質膜・電極構造体の構成が複雑となる。このため、電解質膜・電極構造体の生産性の低下や、製造コストの増加等が問題となる。また、特許文献２記載の方法では、電解質膜の外周縁部以外の部位について、ガス拡散層の影響による物理的な変形や損傷を抑制することが十分に考慮されていない。
However, the techniques shown in
このような不都合を回避するべく、特許文献３には、電解質膜の全体と、電極触媒層ないしガス拡散層との間に補強層を介在させることが提案されている。この補強層は、電解質膜をガス拡散層から保護するものであり、アノード電極又はカソード電極の少なくともいずれか一方側に設けられている。 In order to avoid such inconvenience, Patent Document 3 proposes that a reinforcing layer be interposed between the entire electrolyte membrane and the electrode catalyst layer or gas diffusion layer. This reinforcing layer protects the electrolyte membrane from the gas diffusion layer, and is provided on at least one side of the anode electrode or the cathode electrode.
ところで、電解質膜・電極構造体では、アノード電極に比してカソード電極側の活性化過電圧が大きい。このため、カソード電極側の触媒量を多くして、活性化過電圧を低減させること、すなわち、アノード電極に比してカソード電極側の電極触媒層を厚く形成することが一般的である。換言すれば、アノード電極の電極触媒層は肉薄である。この分、電解質膜がアノード電極のガス拡散層のうねりや繊維等の影響を受け易い。一方で、カソード電極側では、燃料電池の発電反応に伴って生成水が生じるため、アノード電極に比して、いわゆるフラッディングが生じ易い。 By the way, in the electrolyte membrane / electrode structure, the activation overvoltage on the cathode electrode side is larger than that of the anode electrode. Therefore, it is common to increase the amount of catalyst on the cathode electrode side to reduce the activation overvoltage, that is, to form a thicker electrode catalyst layer on the cathode electrode side than the anode electrode. In other words, the electrode catalyst layer of the anode electrode is thin. Accordingly, the electrolyte membrane is easily affected by the undulation of the gas diffusion layer of the anode electrode, fibers, and the like. On the other hand, on the cathode electrode side, generated water is generated along with the power generation reaction of the fuel cell, so that so-called flooding is likely to occur compared to the anode electrode.
従って、特許文献３のように、アノード電極又はカソード電極の少なくともいずれか一方側に補強層を設けるのみでは、電解質膜の物理的な変形や損傷を十分に抑制することができない場合がある。さらには、補強層が上記のフラッディングを促進してしまうことや、電解質膜を乾燥させる一因になってしまう懸念がある。すなわち、電解質膜を適切に保護しつつ、燃料電池の発電特性を維持することについて、十分な考慮がなされていなかった。 Therefore, as in Patent Document 3, physical deformation and damage of the electrolyte membrane may not be sufficiently suppressed only by providing a reinforcing layer on at least one side of the anode electrode or the cathode electrode. Furthermore, there is a concern that the reinforcing layer promotes the above flooding and contributes to drying the electrolyte membrane. That is, sufficient consideration has not been given to maintaining the power generation characteristics of the fuel cell while appropriately protecting the electrolyte membrane.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、ガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で適切に抑制しつつ、優れた発電性能を示す電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and is an electrolyte membrane that exhibits excellent power generation performance while appropriately suppressing physical deformation and damage of the electrolyte membrane due to the influence of the gas diffusion layer with a simple configuration. An object is to provide an electrode structure.
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して構成される電解質膜・電極構造体であって、前記アノード電極は、前記電解質膜に臨むアノード電極触媒層と、アノードガス拡散層とを有し、前記カソード電極は、前記電解質膜に臨むカソード電極触媒層と、カソードガス拡散層とを有し、前記アノードガス拡散層は、前記カソードガス拡散層に比して、前記電解質膜に臨む側の表面うねりが小さいことを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides an electrolyte membrane / electrode structure comprising an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, wherein the anode electrode comprises An anode electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane and an anode gas diffusion layer, the cathode electrode has a cathode electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane and a cathode gas diffusion layer, and the anode gas diffusion layer is The surface undulation on the side facing the electrolyte membrane is smaller than that of the cathode gas diffusion layer.
一般的に、カソード電極の活性化過電圧は、アノード電極の活性化過電圧に比して大きい。このため、カソード電極では、活性化過電圧を低減させるべく、アノード電極に比して触媒量を多くしている。すなわち、アノード電極触媒層は、カソード電極触媒層に比して薄く形成されている。 In general, the activation overvoltage of the cathode electrode is larger than the activation overvoltage of the anode electrode. For this reason, in the cathode electrode, the amount of catalyst is increased as compared with the anode electrode in order to reduce the activation overvoltage. That is, the anode electrode catalyst layer is formed thinner than the cathode electrode catalyst layer.
具体的な一例を挙げると、白金（Ｐｔ）等を触媒とした場合、電極触媒層が単位面積あたりに含有する触媒量は、アノード電極側で０．０１〜０．２０ｍｇ／ｃｍ2、カソード電極側で０．０５〜１．００ｍｇ／ｃｍ2である。また、この場合の電極触媒層の典型的な厚さは、アノード電極側が０．５〜１０．０μｍ、カソード電極側が１．０〜５０．０μｍである。 As a specific example, when platinum (Pt) or the like is used as a catalyst, the amount of catalyst contained in the electrode catalyst layer per unit area is 0.01 to 0.20 mg / cm 2 on the anode electrode side, and the cathode electrode 0.05 to 1.00 mg / cm 2 on the side. The typical thickness of the electrode catalyst layer in this case is 0.5 to 10.0 μm on the anode electrode side and 1.0 to 50.0 μm on the cathode electrode side.
従って、電解質膜では、アノード電極に臨む側の一面が、カソード電極に臨む側の面に比して、ガス拡散層のうねりや繊維等の影響を受け易い。一方で、カソード電極では、発電反応によって生成水が生じるため、アノード電極に比してフラッディングが生じ易い。 Therefore, in the electrolyte membrane, one surface facing the anode electrode is more susceptible to the swell of the gas diffusion layer, fibers, and the like than the surface facing the cathode electrode. On the other hand, since water is generated in the cathode electrode due to the power generation reaction, flooding is more likely to occur than in the anode electrode.
本発明に係る電解質膜・電極構造体では、上記の通り、電解質膜に臨む側の表面うねりが、カソードガス拡散層に比して、アノードガス拡散層において小さく設定されている。ここで、表面うねりとは、表面粗さよりも低く且つ幾何偏差より高い周期からなる幾何形状であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に示すように、例えば、最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａをパラメータとして定義される。 In the electrolyte membrane / electrode structure according to the present invention, as described above, the surface undulation on the side facing the electrolyte membrane is set smaller in the anode gas diffusion layer than in the cathode gas diffusion layer. Here, the surface waviness is a geometric shape having a period lower than the surface roughness and higher than the geometric deviation. As shown in JIS B 0601: 2013, for example, the maximum height waviness Wz and the arithmetic average waviness Wa are parameters. Is defined as
これによって、アノード電極では、アノードガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制することができる。従って、電解質膜の劣化を抑制することや、反応ガスに対するガスバリア性を向上させることができ、電解質膜・電極構造体の耐久性を向上させることができる。 Thereby, in the anode electrode, physical deformation and damage of the electrolyte membrane due to the influence of the anode gas diffusion layer can be effectively suppressed. Therefore, the deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed, the gas barrier property against the reaction gas can be improved, and the durability of the electrolyte membrane / electrode structure can be improved.
また、電解質膜の変形が抑制される分、該電解質膜とアノード電極触媒層との接触面積が大きくなる。これによって、電解質膜とアノード電極触媒層との間でプロトンが効率よく授受されるようになるので、プロトン伝導の経路が確保され、燃料電池としての発電特性が向上する。 In addition, since the deformation of the electrolyte membrane is suppressed, the contact area between the electrolyte membrane and the anode electrode catalyst layer is increased. As a result, protons are efficiently exchanged between the electrolyte membrane and the anode electrode catalyst layer, so that a proton conduction path is ensured and power generation characteristics as a fuel cell are improved.
一方で、カソード電極は、カソードガス拡散層として、空隙や細孔を十分に維持することができ、ガス拡散性を良好に維持することができる。すなわち、カソード電極では、余剰の水を排出して反応ガスを迅速に拡散させることができ、フラッディングを効果的に抑制することができる。 On the other hand, the cathode electrode can sufficiently maintain voids and pores as a cathode gas diffusion layer, and can maintain good gas diffusibility. That is, in the cathode electrode, excess water can be discharged to rapidly diffuse the reaction gas, and flooding can be effectively suppressed.
つまり、この電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の各々の電解質膜に臨む側が互いに異なる表面うねりを有するように形成される。これによって、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。 That is, in this electrolyte membrane / electrode structure, the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are formed such that the sides facing the electrolyte membrane have different surface undulations. As a result, physical deformation and damage of the electrolyte membrane can be effectively suppressed with a simple configuration, and excellent durability and power generation performance can be exhibited.
前記電解質膜・電極構造体において、前記アノードガス拡散層の最大高さうねりが１０．０μｍ以下であり、前記カソードガス拡散層の最大高さうねりが２０．０〜５０．０μｍであることが好ましい。また、前記アノードガス拡散層の算術平均うねりが１．５μｍ以下であり、前記カソードガス拡散層の算術平均うねりが３．０〜５．０μｍであることが好ましい。 In the electrolyte membrane / electrode structure, the anode gas diffusion layer preferably has a maximum height waviness of 10.0 μm or less, and the cathode gas diffusion layer has a maximum height waviness of 20.0 to 50.0 μm. . The arithmetic average undulation of the anode gas diffusion layer is preferably 1.5 μm or less, and the arithmetic average undulation of the cathode gas diffusion layer is preferably 3.0 to 5.0 μm.
この電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制しつつ、カソードガス拡散層のガス拡散性を良好に維持して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。 In this electrolyte membrane / electrode structure, while effectively suppressing physical deformation and damage of the electrolyte membrane due to the influence of the anode gas diffusion layer, the gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer is well maintained and excellent. Durability and power generation performance can be shown.
前記電解質膜・電極構造体において、前記アノードガス拡散層は、前記アノード電極触媒層に臨むアノード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなり、前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることが好ましい。 In the electrolyte membrane / electrode structure, the anode gas diffusion layer is a laminate in which an anode porous layer facing the anode electrode catalyst layer and carbon paper or carbon cloth are laminated, and the cathode gas diffusion layer is The cathode electrode catalyst layer is preferably a laminate in which a cathode porous layer facing the cathode electrode catalyst layer and carbon paper or carbon cloth are laminated.
このようにアノード多孔質層及びカソード多孔質層を備えることによって、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の表面うねりを上記の範囲内に容易に設定することが可能になる。また、カーボンペーパ又はカーボンクロスと電解質膜との間に、アノード多孔質層及びカソード多孔質層が介在する。これによって、カーボンペーパ又はカーボンクロスの良好なガス拡散性を維持しつつ、該カーボンペーパ又はカーボンクロスのうねりや繊維等が電解質膜に影響することを効果的に抑制できる。以降、アノード多孔質層及びカソード多孔質層を総称して多孔質層ともいう。 By providing the anode porous layer and the cathode porous layer in this manner, the surface undulations of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer can be easily set within the above range. Further, an anode porous layer and a cathode porous layer are interposed between the carbon paper or carbon cloth and the electrolyte membrane. Accordingly, it is possible to effectively suppress the influence of the undulations, fibers, etc. of the carbon paper or carbon cloth on the electrolyte membrane while maintaining good gas diffusibility of the carbon paper or carbon cloth. Hereinafter, the anode porous layer and the cathode porous layer are collectively referred to as a porous layer.
さらに、この多孔質層によって、アノード電極及びカソード電極間の保水性及び排水性の均衡を一層適切に図ることができる。従って、電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制して耐久性を向上させつつ、より良好な発電性能を示す電解質膜・電極構造体を得ることができる。 Furthermore, this porous layer can achieve a more appropriate balance between water retention and drainage between the anode electrode and the cathode electrode. Therefore, it is possible to obtain an electrolyte membrane / electrode structure exhibiting better power generation performance while effectively suppressing physical deformation and damage of the electrolyte membrane and improving durability.
前記電解質膜・電極構造体において、前記アノードガス拡散層は、電子伝導性物質及び撥水性樹脂を含むアノード多孔質層からなり、前記カソードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロスを含むものであってもよい。この場合、アノード電極がアノードガス拡散層としてアノード多孔質層を有している。このアノード多孔質層は、カソード電極のカソードガス拡散層に含まれるカーボンペーパやカーボンクロスに比して、平滑且つ柔軟に形成することができる。 In the electrolyte membrane / electrode structure, the anode gas diffusion layer comprises an anode porous layer containing an electron conductive material and a water repellent resin, and the cathode gas diffusion layer contains carbon paper or carbon cloth. May be. In this case, the anode electrode has an anode porous layer as an anode gas diffusion layer. The anode porous layer can be formed more smoothly and flexibly than carbon paper or carbon cloth contained in the cathode gas diffusion layer of the cathode electrode.
すなわち、アノード多孔質層をアノードガス拡散層として有するアノード電極では、該アノードガス拡散層の影響による電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制することができる。これによって、電解質膜とアノード電極触媒層との間でプロトンが効率よく授受されるようになるので、燃料電池としての発電特性が向上する。 That is, in an anode electrode having an anode porous layer as an anode gas diffusion layer, physical deformation and damage of the electrolyte membrane due to the influence of the anode gas diffusion layer can be effectively suppressed. As a result, protons are efficiently exchanged between the electrolyte membrane and the anode electrode catalyst layer, so that power generation characteristics as a fuel cell are improved.
一方で、カソード電極は、カソードガス拡散層としてカーボンペーパやカーボンクロスを有する。カーボンペーパやカーボンクロスは、ガス拡散性が高くなるように形成することができる。従って、カソード電極では、余剰の水を排出して反応ガスを迅速に拡散させることができ、フラッディングを効果的に抑制することができる。 On the other hand, the cathode electrode has carbon paper or carbon cloth as a cathode gas diffusion layer. Carbon paper and carbon cloth can be formed so as to have high gas diffusibility. Therefore, in the cathode electrode, excess water can be discharged and the reaction gas can be quickly diffused, and flooding can be effectively suppressed.
つまり、この電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の各々が上記の通り適切な表面うねりを示すように互いに異なる材料から形成される。これによって、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。 That is, in this electrolyte membrane / electrode structure, each of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer is formed of different materials so as to exhibit appropriate surface waviness as described above. As a result, physical deformation and damage of the electrolyte membrane can be effectively suppressed with a simple configuration, and excellent durability and power generation performance can be exhibited.
また、この場合には、前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、前記カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることが好ましい。このようにカソードガス拡散層がカソード多孔質層を備えることによって、該カソードガス拡散層のカーボンペーパ又はカーボンクロスのうねりや繊維等が電解質膜に影響することについても効果的に抑制できる。また、アノード多孔質層とカソード多孔質層とによって、アノード電極及びカソード電極間の保水性及び排水性の均衡を一層適切に図ることができる。従って、電解質膜の物理的な変形や損傷を効果的に抑制して、より良好な耐久性及び発電性能を示す電解質膜・電極構造体を得ることができる。 In this case, the cathode gas diffusion layer is preferably composed of a laminate in which a cathode porous layer facing the cathode electrode catalyst layer and the carbon paper or carbon cloth are laminated. Thus, by providing the cathode gas diffusion layer with the cathode porous layer, it is possible to effectively suppress the influence of carbon paper or carbon cloth swell, fibers, etc. of the cathode gas diffusion layer on the electrolyte membrane. In addition, the anode porous layer and the cathode porous layer can achieve a more appropriate balance between water retention and drainage between the anode electrode and the cathode electrode. Therefore, it is possible to effectively suppress physical deformation and damage of the electrolyte membrane, and obtain an electrolyte membrane / electrode structure exhibiting better durability and power generation performance.
本発明によれば、アノード電極のアノードガス拡散層と、カソード電極のカソードガス拡散層とが各々適切な性質を示すように互いに異なる表面うねりを有する。その結果、電解質膜の物理的な変形を簡素な構成で効果的に抑制することができ、優れた耐久性及び発電性能を示す電解質膜・電極構造体を得ることができる。 According to the present invention, the anode gas diffusion layer of the anode electrode and the cathode gas diffusion layer of the cathode electrode have different surface undulations so as to exhibit appropriate properties. As a result, physical deformation of the electrolyte membrane can be effectively suppressed with a simple configuration, and an electrolyte membrane / electrode structure exhibiting excellent durability and power generation performance can be obtained.
以下、本発明に係る電解質膜・電極構造体につき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the electrolyte membrane / electrode structure according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は、固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも表記する）１０の要部概略縦断面図である。この燃料電池１０は、本実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２が組み込まれて構成される。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of an essential part of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter also simply referred to as “fuel cell”) 10. The
先ず、燃料電池１０の構成につき説明する。この燃料電池１０では、電解質膜・電極構造体１２と、アノード側セパレータ１４と、カソード側セパレータ１６とが、例えば、立位姿勢で積層される。この積層方向（図１の矢印Ａ方向）に、燃料電池１０が複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタック（不図示）が構成される。なお、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。
First, the configuration of the
アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に臨む面１４ａには、燃料ガス流路１８が、水平方向（図１の紙面に直交する方向。以下、便宜的にＢ方向という）に延在して設けられる。燃料ガス流路１８は、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（不図示）と、該燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（不図示）とに連通する。
On the
同様に、カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に臨む面１６ａには、酸化剤ガス流路２０が水平方向（前記Ｂ方向）に延在して設けられる。酸化剤ガス流路２０は、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（不図示）と、該酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（不図示）とに連通する。なお、燃料ガス流路１８中の燃料ガスと、酸化剤ガス流路２０中の酸化剤ガスとは、互いに対向する向きに流通する。
Similarly, an oxidant
燃料電池１０を複数積層した際にアノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６とが互いに対向する面同士の間には、冷却媒体流路２２が一体的に形成されている。冷却媒体流路２２は、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（不図示）と、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（不図示）とに連通する。
A cooling
電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子膜からなる電解質膜２４と、該電解質膜２４を挟持するアノード電極２６及びカソード電極２８とを備える。電解質膜２４の外形寸法（表面積）は、アノード電極２６及びカソード電極２８の外形寸法よりも大きく設定される。これによって、アノード電極２６及びカソード電極２８の一方の電極に供給された反応ガスが他方の電極に移動することを防止できる。また、後述するシール部材４６、４８によって、電解質膜・電極構造体１２からその外部へ反応ガスが漏れること（アウトリーク）を防止できる。
The electrolyte membrane /
電解質膜２４は、例えば、陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーを、フィルム状に形成したものを用いることができる。陽イオン交換樹脂としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物や、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子にスルホン酸基又はリン酸基を導入したポリマーや、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られる剛直ポリフェニレンを主成分として、これにスルホン酸基を導入したポリマー等が挙げられる。
As the
アノード電極２６及びカソード電極２８は、電解質膜２４を挟持するように設けられる。アノード電極２６は、電解質膜２４の一方の面に臨むアノード電極触媒層３０と、アノードガス拡散層３５とを有している。一方、カソード電極２８は、電解質膜２４の他方の面に臨むカソード電極触媒層３８と、カソードガス拡散層４３とを有している。
The
アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、電解質膜２４に接合して設けられ、外形寸法が該電解質膜２４に比して小さく設定される。また、アノード電極触媒層３０とカソード電極触媒層３８は、外形寸法（表面積）が互いに異なっていてもよい。さらに、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、電解質膜２４を介して積層される際、互いの外周端部の位置が一致しないように配置されることが好ましい。この場合、電解質膜２４に対して、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の外周端部による応力が集中することを防止できる。その結果、電解質膜２４の物理的な変形や損傷を効果的に防止することができる。
The anode
アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、カーボンブラック等の触媒担体に白金等の触媒金属を担持してなる触媒粒子と、イオン伝導性高分子バインダとを含んで構成されている。なお、前記触媒粒子に代替し、触媒金属の粒子のみからなり、触媒担体を含まない触媒粒子（例えば、白金黒等）を採用するようにしてもよい。また、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８のそれぞれは、組成の異なる２層以上の触媒層から構成されていてもよい。
The anode
本実施形態に係る電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極触媒層３０がカソード電極触媒層３８よりも薄く形成されている。すなわち、アノード電極触媒層３０の含有する前記触媒粒子の量は、カソード電極触媒層３８に比して少なくなっている。これによって、カソード電極２８の活性化過電圧を低減させることができる。
In the electrolyte membrane /
単位面積あたりの前記触媒粒子の含有量は、アノード電極触媒層３０では０．０１〜０．２０ｍｇ／ｃｍ2であり、カソード電極触媒層３８では０．０５〜１．００ｍｇ／ｃｍ2であることが好ましい。この場合、アノード電極触媒層３０の厚さは０．５〜１０．０μｍであり、カソード電極触媒層３８の厚さは１．０〜５０．０μｍであることが好ましい。
The content of the catalyst particles per unit area is 0.01~0.20mg / cm 2 at the
アノードガス拡散層３５は、基材３２と、アノード多孔質層３４とが積層された積層体から構成され、アノード多孔質層３４がアノード電極触媒層３０に臨む。一方、カソードガス拡散層４３は、基材４０と、カソード多孔質層４２とが積層された積層体から構成され、カソード多孔質層４２がカソード電極触媒層３８に臨む。
The anode
アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質性の層であり、該電子伝導性物質に基づいて伝導性を示す。この電子伝導性物質の好適な例としては、ファーネスブラック（ケッチェン・ブラック社製「ケッチェンブラックＥＣ」及び「ケッチェンブラックＥＣ−６００ＪＤ」、Ｃａｒｂｏｔ社製「バルカンＸＣ−７２」、東海カーボン社製「トーカブラック」、旭カーボン社製「旭ＡＸ」等；いずれも商品名）、アセチレンブラック（電気化学工業社製「デンカブラック」等；商品名）、グラッシーカーボンの粉砕品、気相法炭素繊維（昭和電工社製「ＶＧＣＦ」及び「ＶＧＣＦ−Ｈ」等；いずれも商品名）、カーボンナノチューブ、及びこれらを黒鉛化処理した粉末を単独又は２種以上混合したものが挙げられる。
The anode
一方の撥水性樹脂の素材としては、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）をはじめとする結晶性フッ素樹脂や、旭硝子社製の「ルミフロン」及び「サイトップ」（いずれも商品名）等の非晶質フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等が例示され、これらを単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。 One water-repellent resin material is ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVF (polyvinyl fluoride), ECTFE (chlorotrifluoroethylene / ethylene copolymer), PTFE. (Polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer) and other crystalline fluororesins, “Asahi Glass” Examples include amorphous fluororesins such as “Lumiflon” and “Cytop” (both trade names), silicone resins, polyethylene, polypropylene, and the like, and these can be used alone or in combination of two or more.
基材３２、４０は、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されて得られるカーボンペーパ又はカーボンクロスからなる。また、基材３２、４０は、例えば、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）等からなる撥水性樹脂を含有してもよい。基材３２、４０、アノード多孔質層３４、カソード多孔質層４２はそれぞれ略同等の外形寸法に形成されて互いに積層されている。
The
アノードガス拡散層３５の表面うねりは、カソードガス拡散層４３に比して小さい。具体的には、アノードガス拡散層３５のアノード電極触媒層３０に臨む側、すなわち、アノード多孔質層３４の最大高さうねりＷｚが１０．０μｍ以下であることが好ましい。このとき、カソードガス拡散層４３のカソード電極触媒層３８側、すなわち、カソード多孔質層４２の最大高さうねりＷｚが２０．０〜５０．０μｍであることが好ましい。
The surface undulation of the anode
又は、アノード多孔質層３４の算術平均うねりＷａを１．５μｍ以下とし、且つ、カソード多孔質層４２の算術平均うねりを３．０〜５．０μｍとするようにしてもよい。
Alternatively, the arithmetic average undulation Wa of the anode
さらに、上記の両条件を同時に満足することが好ましい。すなわち、アノード多孔質層３４の最大高さうねりＷｚが１０．０μｍ以下、算術平均うねりＷａが１．５μｍ以下であり、且つ、カソード多孔質層４２の最大高さうねりＷｚが２０．０〜５０．０μｍ、算術平均うねりが３．０〜５．０μｍであることが最も好ましい。
Furthermore, it is preferable to satisfy both of the above conditions at the same time. That is, the maximum height waviness Wz of the anode
これらの物性値は、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の最大細孔径、平均細孔径、細孔径分布、撥水性樹脂の種類や量等が適宜調整されることによって設定することができる。この場合、後述するように、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の影響によって電解質膜２４に物理的な変形や損傷が生じることを適切に抑制しつつ、燃料電池１０の発電性能を向上させることができる。
These physical property values can be set by appropriately adjusting the maximum pore diameter, average pore diameter, pore diameter distribution, type and amount of water-repellent resin, etc. of the anode
なお、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の表面うねりは、例えば、オリンパス社製のレーザ顕微鏡「ＬＥＸＴ ＯＬＳ４０００」（商品名）を用いて求めることができる。具体的な算出方法については、後述する。
The surface undulations of the anode
アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の外形寸法は、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８に比して大きく設定される。すなわち、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８は、上記の通り、電解質膜２４、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３に比して外形寸法が小さく設定される。このため、電解質膜２４の外周縁部は、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の外周から外部に露呈する。この電解質膜２４の露呈する部位を、以下、露呈部位ともいう。
The external dimensions of the anode
電解質膜・電極構造体１２では、露呈部位の一方側の面及びアノード電極触媒層３０に対して、アノードガス拡散層３５を構成するアノード多孔質層３４が接触している。また、露呈部位の他方側の面及びカソード電極触媒層３８に対して、カソードガス拡散層４３のカソード多孔質層４２が接触している。
In the electrolyte membrane /
また、電解質膜２４の露呈部位のうち、さらにアノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の外周から外部に露呈する部位のアノード側セパレータ１４に臨む側の面には、額縁形状をなすアノード絶縁シート３６が当接するように設けられる。同様に、前記露呈する部位のカソード側セパレータ１６に臨む側の面には、額縁形状をなすカソード絶縁シート４４が当接するように設けられる。
Further, among the exposed portions of the
アノード絶縁シート３６及びカソード絶縁シート４４は、ガス不透過性を有し、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製の略平坦なフィルム等で構成される。また、アノード絶縁シート３６の厚さとアノードガス拡散層３５の厚さは略同等であるため、アノード絶縁シート３６及びアノードガス拡散層３５の面同士が面一の状態で、アノード側セパレータ１４に当接している。同様に、カソード絶縁シート４４及びカソードガス拡散層４３の面同士が面一の状態で、カソード側セパレータ１６に当接している。
The
このように、アノード絶縁シート３６及びカソード絶縁シート４４を設けることによって、アノード電極２６とカソード電極２８との間で反応ガスが移動して混在してしまうことや、アウトリークが起こることを効果的に回避できる。
As described above, by providing the
アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６には、それぞれ、アノードガス拡散層３５、カソードガス拡散層４３の縁部を囲繞するようにしてシール部材４６、４８が設けられる。これらシール部材４６、４８により、アウトリークを有効に防止することができる。
The
次に、上記した電解質膜・電極構造体１２を作製する方法について説明する。
Next, a method for producing the above-described electrolyte membrane /
電解質膜・電極構造体１２を作製するに際しては、はじめに、前述した陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーから選択したポリマーを長方形のシート形状として電解質膜２４を作製する。
In producing the electrolyte membrane /
そして、この電解質膜２４の一方の面にアノード電極触媒層３０を形成し、且つ他方の面にカソード電極触媒層３８を形成する。具体的には、先ず、電解質膜２４に用いたポリマーと同種のポリマーの溶液（高分子電解質）中に、前記触媒粒子及び有機溶媒を添加、混合することにより触媒ペーストを調製する。
Then, the anode
次に、この触媒ペーストを、ＰＴＦＥ等から形成したフィルムの一方の面上に所定量塗布する。そして、前記フィルムにおける触媒ペーストを塗布した面を電解質膜２４の一方の面に対して熱圧着する。その後、フィルムを剥離すれば、触媒ペーストが電解質膜２４の一方の面に転写される。これによって、アノード電極触媒層３０を形成することができる。また、電解質膜２４の他方の面に対しても同様にして、前記触媒ペーストを転写することで、カソード電極触媒層３８を形成することができる。この際、フィルムに対する触媒ペーストの塗布量を調整することによって、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の触媒粒子の含有量や厚さが上記の範囲となるように調整することができる。すなわち、上記の通り、アノード電極触媒層３０がカソード電極触媒層３８に比して薄く形成される。
Next, a predetermined amount of this catalyst paste is applied onto one surface of a film formed from PTFE or the like. Then, the surface of the film on which the catalyst paste is applied is thermocompression bonded to one surface of the
これとは別に、基材３２上にアノード多孔質層３４を形成してアノードガス拡散層３５を得るとともに、基材４０上にカソード多孔質層４２を形成してカソードガス拡散層４３を得る。
Separately from this, the anode
具体的には、例えば、前記電子伝導性物質と、前記撥水性樹脂とを、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等の有機溶媒中で混合することにより多孔質層用ペーストを調製する。そして、この多孔質層用ペーストの所定量を、基材３２上に塗布した後、熱処理することでアノード多孔質層３４を形成する。これによって、アノードガス拡散層３５を得ることができる。
Specifically, for example, the porous layer paste is prepared by mixing the electron conductive substance and the water repellent resin in an organic solvent such as ethanol, propanol, or ethylene glycol. And after apply | coating the predetermined amount of this paste for porous layers on the
前記多孔質層用ペーストと同様に、前記電子伝導性物質及び前記撥水性樹脂を前記有機溶媒中で混合することにより多孔質層用ペーストを調製する。そして、この多孔質層用ペーストの所定量を、基材４０上に塗布した後、熱処理することでカソード多孔質層４２を形成する。これによって、カソードガス拡散層４３を得ることができる。
Similarly to the porous layer paste, the porous layer paste is prepared by mixing the electron conductive substance and the water repellent resin in the organic solvent. And after apply | coating the predetermined amount of this paste for porous layers on the
この際、例えば、基材３２、４０上に塗布する多孔質層用ペーストの塗布量や、該多孔質層用ペーストの固形分濃度等を適宜調整する。これにより、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々の表面うねりが上記の範囲内となるように調整することができる。さらには、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の物性値を調整するべく、基材３２、４０の各々の物性値や、該基材３２、４０に含浸させる撥水性樹脂の濃度等を調整してもよい。また、基材３２上に塗布する多孔質層用ペーストと、基材４０上に塗布する多孔質層用ペーストとは、互いに異なる成分から調製されてもよい。
At this time, for example, the coating amount of the porous layer paste applied onto the
上記の作製方法に代えて、アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２を、シート状成形体として得るようにしてもよい。この場合、例えば、前記多孔質層用ペーストを固形分濃度が高くなるように調製した後、さらに溶媒を抽出して延伸処理等を行う。これによって、シート状成形体として得られたアノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２をそれぞれ、基材３２、４０に重畳して、加圧及び加熱（ホットプレス）する。その結果、アノード多孔質層３４と基材３２と熱圧着してアノードガス拡散層３５を得ることができる。同様に、カソード多孔質層４２と基材４０とを熱圧着してカソードガス拡散層４３を得ることができる。
Instead of the above production method, the anode
この際、例えば、多孔質層用ペーストの量や、該多孔質層用ペーストの有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度（固形分濃度）、延伸処理後のシート状成形体の厚さ等を適宜調整する。これによって、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々の表面うねりを上記の範囲内となるように調整することができる。
At this time, for example, the amount of the porous layer paste, the concentration of the electron conductive substance and the water repellent resin (solid content concentration) with respect to the organic solvent of the porous layer paste, the thickness of the sheet-like molded body after the stretching treatment Adjust the thickness as appropriate. Accordingly, the surface undulation of each of the anode
以上のようにして得られたアノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３と、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８が形成された電解質膜２４とを重畳する。具体的には、アノードガス拡散層３５のアノード多孔質層３４とアノード電極触媒層３０とが対向し、カソードガス拡散層４３のカソード多孔質層４２とカソード電極触媒層３８とが対向するように上記の構成要素を重畳する。そして、得られた重畳体を熱圧着等により一体化することで、電解質膜・電極構造体１２が得られるに至る。
The anode
この際、上記した通り、電解質膜２４に対して、直接ないしアノード電極触媒層３０又はカソード電極触媒層３８を介して当接するのは、アノード多孔質層３４とカソード多孔質層４２である。アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２は、電子伝導性物質及び撥水性樹脂から主に構成されるため、多数の繊維状カーボンから主に構成されるカーボンペーパやカーボンクロスに比して、平滑且つ柔軟に形成される。
At this time, as described above, the anode
さらに、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の電解質膜２４側、すなわち、アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２の表面うねりはそれぞれ上記の通り設定されている。これによって、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３は、電解質膜２４を物理的に変形させるようなうねりが抑制されている。特に、カソード電極触媒層３８に比して、厚さが小さいアノード電極触媒層３０に当接するアノード多孔質層３４の表面うねりは、上記の通り小さく設定されている。
Further, the surface undulations of the anode
従って、電解質膜・電極構造体１２の製造過程において、熱圧着による荷重が前記重畳体に付与されても、電解質膜２４が物理的に変形すること及び損傷することを効果的に抑制できる。
Therefore, in the manufacturing process of the electrolyte membrane /
また、基材３２と、電解質膜２４ないしアノード電極触媒層３０との間にアノード多孔質層３４が介在し、且つ基材４０と、電解質膜２４ないしカソード電極触媒層３８との間にカソード多孔質層４２が介在している。これによって、基材３２、４０の繊維等が電解質膜２４に物理的な変形や損傷が生じることを抑制できる。
An anode
基本的に以上のように構成される電解質膜・電極構造体１２をアノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６で挟持することにより、燃料電池１０が構成される。
The
次に、燃料電池１０の発電時の動作について説明する。燃料電池１０を発電させるに際しては、酸化剤ガス入口連通孔に酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔に純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
Next, the operation of the
冷却媒体入口連通孔に供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６間に形成された冷却媒体流路２２に導入される。この冷却媒体流路２２では、冷却媒体が重力方向（図１中矢印Ｃ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔に排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole is introduced into a cooling
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔からカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路２０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２０に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２８に沿って移動する。
The oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔からアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路１８に導入される。この燃料ガス流路１８では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２６に沿って移動する。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２６に供給された燃料ガスがアノードガス拡散層３５を通過し、カソード電極２８に供給された酸化剤ガスがカソードガス拡散層４３を通過する。その結果、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８内で、燃料ガス及び酸化剤ガスが電気化学反応（電極反応）によってそれぞれ消費され、発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
一層詳細には、燃料ガス中の水素ガスがアノード電極２６のアノード電極触媒層３０で電離し、プロトン（Ｈ+）と電子が生成される。電子は、燃料電池１０に電気的に接続された外部負荷（図示せず）を付勢するための電気エネルギとして取り出される。一方、プロトンは、電解質膜２４を介してカソード電極２８に到達する。なお、プロトンは、電解質膜２４に含まれる水を伴って、アノード電極２６側からカソード電極２８側へ移動する。
More specifically, hydrogen gas in the fuel gas is ionized in the anode
カソード電極２８のカソード電極触媒層３８では、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード電極２８に到達した電子と、前記酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水が生成される。以下、この水を生成水ともいう。
In the cathode
以上の電極反応の最中、電解質膜２４に良好なプロトン伝導性を発現させるためには、該電解質膜２４を湿潤状態に維持する必要がある。その一方で、生成水等がアノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８や、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の細孔内に滞留すると、反応ガスの流路が閉塞されてフラッディングが生じる。この場合、電極反応の進行が阻害される懸念がある。
During the above electrode reaction, it is necessary to maintain the
従って、燃料電池１０が良好な発電性能を示すためには、電解質膜２４を湿潤状態に保つための保水性と、反応ガスを円滑に拡散させるよう生成水を速やかに除去する排水性という、互いに相反する特性が適切に均衡していることが求められる。
Therefore, in order for the
特に、カソード電極２８では、生成水が生じる分、アノード電極２６に比してフラッディングが生じ易い。このため、アノード電極２６及びカソード電極２８において、上記の保水性及び排水性の均衡を保つ場合、アノードガス拡散層３５に比して、カソードガス拡散層４３のガス拡散性が高いことが求められる。
In particular, flooding is more likely to occur at the
電解質膜・電極構造体１２においては、上記の通り、カソードガス拡散層４３の表面うねりが、アノードガス拡散層３５に比して大きく設定されている。従って、カソードガス拡散層４３では、アノードガス拡散層３５に比して、十分な空隙や細孔を維持することができ、良好なガス拡散性を示す。
In the electrolyte membrane /
なお、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々は、アノード多孔質層３４及びカソード多孔質層４２を備えることで、容易に表面うねり等の物性値を調整することができる。
Each of the anode
これらによって、アノード電極２６及びカソード電極２８の間で、保水性と排水性との均衡を適切に図ることができる。その結果、電解質膜２４に良好なプロトン伝導性を発現させることができるとともに、反応ガスの拡散性を向上させて発電反応を促すことができる。ひいては、電解質膜・電極構造体１２を備える燃料電池１０の発電特性を向上させることができる。
Thus, a balance between water retention and drainage can be appropriately achieved between the
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 In addition, this invention is not specifically limited to above-described embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the summary.
例えば、上記の実施形態では、アノードガス拡散層３５は、基材３２と、アノード多孔質層３４との積層体から構成されることとしたが、アノード多孔質層３４のみから構成されていてもよい。また、上記の実施形態では、カソードガス拡散層４３は、基材４０と、カソード多孔質層４２との積層体から構成されることとしたが、基材４０のみから構成されていてもよい。つまり、アノードガス拡散層３５及びカソードガス拡散層４３の各々が上記の通り適切な表面うねりを示すように互いに異なる材料から形成されてもよい。
For example, in the above embodiment, the anode
アノードガス拡散層３５がアノード多孔質層３４のみから構成される場合、該アノードガス拡散層３５がカーボンペーパやカーボンクロスを含まないこととなる。従って、アノードガス拡散層３５が、上記の通り厚さが小さいアノード電極触媒層３０を介して電解質膜２４と積層されても、該電解質膜２４に物理的な変形や損傷を生じさせることを効果的に抑制できる。
When the anode
一方で、カソードガス拡散層４３では、主にカーボンペーパ又はカーボンクロスから構成される基材４０によって、良好なガス拡散性を維持することができる。その結果、電解質膜２４の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。
On the other hand, in the cathode
また、上記の実施形態では、カソード電極触媒層３８に比して、アノード電極触媒層３０の電極触媒の量を少なくしたが、アノード電極触媒層３０及びカソード電極触媒層３８の互いの電極触媒の量は略同等であってもよい。
In the above embodiment, the amount of the electrode catalyst of the anode
［実施例１］
（１） 基材と多孔質層とを積層した積層体から、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の各々を構成した。すなわち、先ず、基材として、嵩密度が０．３１ｇ／ｍ2、厚さが１９０μｍのカーボンペーパに、三井・デュポンフロロケミカル社製のテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）の分散液「ＦＥＰ １２０−ＪＲＢ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ」（商品名）を含浸させ、１２０℃で３０分間乾燥させた。この際、カーボンペーパは、該カーボンペーパに対するＦＥＰの乾燥重量が、２．４重量％となるように分散液に含浸させた。
[Example 1]
(1) Each of an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer was formed from a laminate in which a base material and a porous layer were laminated. That is, first, dispersion of tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemical Co., Ltd. on carbon paper having a bulk density of 0.31 g / m 2 and a thickness of 190 μm as a base material. The liquid “FEP 120-JRB Dispersion” (trade name) was impregnated and dried at 120 ° C. for 30 minutes. At this time, the carbon paper was impregnated in the dispersion so that the dry weight of FEP with respect to the carbon paper was 2.4% by weight.
（２） 多孔質層用ペーストＡは、昭和電工社製の気相成長カーボン「ＶＧＣＦ」（商品名）を１２ｇと、三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ分散液（固形分濃度５４％）「ＦＥＰ１２０ＪＲＢ」（商品名）を２０ｇと、エチレングリコールを２００ｇとをボールミルで撹拌して混合することにより調製した。 (2) Porous layer paste A includes 12 g of vapor-grown carbon “VGCF” (trade name) manufactured by Showa Denko KK, and FEP dispersion (solid content concentration 54%) manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd. FEP120JRB "(trade name) 20 g and ethylene glycol 200 g were prepared by stirring with a ball mill and mixing.
（３） 前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。そして、３８０℃で３０分間の熱処理を行うことによってアノード多孔質層を形成し、アノードガス拡散層を得た。 (3) On the base material prepared in (1) above, apply the porous layer paste A prepared in (2) above using a blade applicator so that the anode porous layer has a thickness of 30 μm. And applied. Then, an anode porous layer was formed by performing a heat treatment at 380 ° C. for 30 minutes to obtain an anode gas diffusion layer.
（４） 前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。そして、３８０℃で３０分間の熱処理を行うことによってカソード多孔質層を形成し、カソードガス拡散層を得た。 (4) Screen printing was performed on the substrate prepared in (1) above using the porous layer paste A prepared in (2) as an ink so that the cathode porous layer had a thickness of 30 μm. . And the cathode porous layer was formed by performing heat processing for 30 minutes at 380 degreeC, and the cathode gas diffusion layer was obtained.
（５） 触媒ペーストは、デュポン社製のイオン伝導性ポリマー溶液「ＤＥ２０２０ＣＳ」（商品名）に対し、ＢＡＳＦ社製の白金触媒「ＬＳＡ」（商品名）の重量比が０．１となるように添加し、さらに、ボールミルで撹拌して混合することにより調製した。 (5) The catalyst paste is such that the weight ratio of the platinum catalyst “LSA” (trade name) manufactured by BASF to the ion conductive polymer solution “DE2020CS” (trade name) manufactured by DuPont is 0.1. Further, it was prepared by stirring and mixing with a ball mill.
（６） ＰＴＦＥシート上に、前記（５）で調製した触媒ペーストを白金の重量が０．１ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布した後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、アノード電極触媒層を電解質膜の一方の面に転写するためのシートを作製した。 (6) After applying the catalyst paste prepared in the above (5) on a PTFE sheet so that the weight of platinum is 0.1 mg / cm 2 , heat treatment is performed at 120 ° C. for 60 minutes, whereby the anode electrode A sheet for transferring the catalyst layer to one surface of the electrolyte membrane was prepared.
（７） ＰＴＦＥシート上に、前記（５）で調製した触媒ペーストを白金の重量が０．７ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布した後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、カソード電極触媒層を電解質膜の他方の面に転写するためのシートを作製した。 (7) After applying the catalyst paste prepared in the above (5) on a PTFE sheet so that the weight of platinum is 0.7 mg / cm 2 , heat treatment is performed at 120 ° C. for 60 minutes to obtain a cathode electrode A sheet for transferring the catalyst layer to the other surface of the electrolyte membrane was prepared.
（８） 前記（６）及び（７）で作製したシートの触媒ペースト塗布側を、厚さ２４μｍ、イオン交換容量１．０５ｍｅｑ／ｇとしたフッ素系の電解質膜の面に熱圧着させた後、ＰＴＦＥシートを剥離した。すなわち、デカール法により、電解質膜の一方の面にアノード電極触媒層を形成するとともに、他方の面にカソード電極触媒層を形成した。 (8) After the catalyst paste application side of the sheet prepared in (6) and (7) above is thermocompression bonded to the surface of a fluorine-based electrolyte membrane having a thickness of 24 μm and an ion exchange capacity of 1.05 meq / g, The PTFE sheet was peeled off. That is, an anode electrode catalyst layer was formed on one surface of the electrolyte membrane and a cathode electrode catalyst layer was formed on the other surface by a decal method.
（９） 前記（８）で作製した電解質膜に形成されたアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層にそれぞれ、前記（３）で作製したアノードガス拡散層のアノード多孔質層及び前記（４）で作製したカソードガス拡散層のカソード多孔質層を１２０℃で面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で熱圧着させた。これによって、電解質膜・電極構造体を作製した。これを実施例１とする。 (9) In the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer formed on the electrolyte membrane prepared in (8), the anode porous layer of the anode gas diffusion layer prepared in (3) and in (4), respectively. The cathode porous layer of the produced cathode gas diffusion layer was thermocompression bonded at 120 ° C. under a surface pressure of 30 kgf / cm 2 . In this way, an electrolyte membrane / electrode structure was produced. This is Example 1.
［実施例２］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、多孔質層用ペーストＢを、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
[Example 2]
Instead of the step (3), the paste B for the porous layer is applied on the base material prepared in the above (1) using a blade coater so that the anode porous layer has a thickness of 30 μm. And applied.
多孔質層用ペーストＢは、Ｃａｂｏｔ社製のカーボン「Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ７２Ｒ」（商品名）を１２ｇと、三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ分散液（固形分濃度５４％）「ＦＥＰ１２０ＪＲＢ」（商品名）を２０ｇと、エチレングリコールを１５５ｇとをボールミルで撹拌して混合することにより調製した。 The porous layer paste B includes 12 g of carbon “Vulcan XC72R” (trade name) manufactured by Cabot, and FEP dispersion (solid content concentration 54%) “FEP120JRB” (trade name) manufactured by Mitsui DuPont Fluoro Chemical Co., Ltd. And 20 g of ethylene glycol and 155 g of ethylene glycol were mixed by stirring with a ball mill.
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。 In the step (4), the thickness of the cathode porous layer is 30 μm using the porous layer paste A prepared in (2) as an ink on the substrate prepared in (1). Screen printing was performed.
それ以外は、実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例２とする。 Otherwise, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is Example 2.
［実施例３］
前記（３）の工程に代えて、先ず、電気化学工業社製のアセチレンブラック１０ｇを含む水溶液１００ｍｌをボールミルにて撹拌分散させてカーボンブラック分散液を得た。この分散液に、三井・デュポンフロロケミカル社製のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョン溶液を混合した。この際、ＰＴＦＥとカーボンブラックとが質量比で７０：３０となるように添加した。得られた分散液に対して、イソプロピルアルコールを５０質量％添加することにより、ＰＴＦＥとカーボンブラックとを凝集させた後、ろ別した。
[Example 3]
Instead of the step (3), first, 100 ml of an aqueous solution containing 10 g of acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. was stirred and dispersed with a ball mill to obtain a carbon black dispersion. This dispersion was mixed with a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion solution manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemicals. At this time, PTFE and carbon black were added at a mass ratio of 70:30. By adding 50% by mass of isopropyl alcohol to the obtained dispersion, PTFE and carbon black were aggregated and then filtered.
これにより得られた凝集体を１２０℃で３時間乾燥させた後、溶剤としてソルベントナフサを５０質量％添加することにより多孔質層用ペーストを作製した。この多孔質層用ペーストをロール機で厚さが１ｍｍとなるようにロールした後、前記ソルベントナフサを１２０℃で２時間乾燥させて蒸発させた。その後、同時二軸延伸装置を用いて、延伸温度３００℃として１軸方向に１．５倍延伸処理した後、熱収縮しないように延伸シートの延伸方向の長さを固定した状態で３５０℃に加熱して、完全焼成処理を行った。これにより、アノード多孔質層として、厚さが３０μｍのシート状成形体を得た。 The obtained aggregate was dried at 120 ° C. for 3 hours, and then 50% by mass of solvent naphtha was added as a solvent to prepare a porous layer paste. After this porous layer paste was rolled with a roll machine to a thickness of 1 mm, the solvent naphtha was dried at 120 ° C. for 2 hours to evaporate. Thereafter, using a simultaneous biaxial stretching apparatus, the stretching temperature is set to 300 ° C., and the film is stretched 1.5 times in the uniaxial direction. It heated and the complete baking process was performed. As a result, a sheet-like molded body having a thickness of 30 μm was obtained as the anode porous layer.
このアノード多孔質層を前記（１）で作製した基材上に積層した状態で、プレスすることで、厚さが１６０μｍのアノードガス拡散層を得た。 An anode gas diffusion layer having a thickness of 160 μm was obtained by pressing the anode porous layer in a state of being laminated on the base material prepared in (1).
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。 In the step (4), the thickness of the cathode porous layer is 30 μm using the porous layer paste A prepared in (2) as an ink on the substrate prepared in (1). Screen printing was performed.
それ以外は、実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例３とする。 Otherwise, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is Example 3.
［比較例１］
前記（３）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
[Comparative Example 1]
In the step (3), on the base material prepared in (1), the porous layer paste A prepared in (2) is used as an ink so that the anode porous layer has a thickness of 30 μm. Screen printing was performed.
また、前記（４）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。 Further, instead of the step (4), the porous layer paste A prepared in the above (2) is used as an ink on the base material prepared in the above (1), and the thickness of the cathode porous layer is 30 μm. Screen printing was performed so that
それ以外は、実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例１とする。 Otherwise, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is referred to as Comparative Example 1.
［比較例２］
前記（３）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、アノード多孔質層の厚さが４０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
[Comparative Example 2]
In the step (3), the porous layer paste A prepared in (2) is applied onto the base material prepared in (1) by blade coating so that the anode porous layer has a thickness of 40 μm. It was applied using a tool.
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、カソード多孔質層の厚さが２０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。 Further, in the step (4), the porous layer paste A prepared in (2) is applied to the base material prepared in (1) so that the cathode porous layer has a thickness of 20 μm. Application was performed using a blade coater.
それ以外は、実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例２とする。 Otherwise, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is referred to as Comparative Example 2.
［比較例３］
前記（３）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記多孔質層用ペーストＢをインクとして、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。
[Comparative Example 3]
In the step (3), screen printing was performed on the base material prepared in (1) above using the porous layer paste B as an ink so that the anode porous layer had a thickness of 30 μm.
また、前記（４）の工程で、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、カソード多孔質層の厚さが４０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。 Further, in the step (4), the porous layer paste A prepared in (2) is applied on the base material prepared in (1) so that the thickness of the cathode porous layer becomes 40 μm. Application was performed using a blade coater.
それ以外は、実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例３とする。 Otherwise, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is referred to as Comparative Example 3.
［比較例４］
前記（３）の工程に代えて、実施例３と同様に、アノード多孔質層として、厚さが３０μｍのシート状成形体を得て、このアノード多孔質層を、前記（１）で作製した基材上に積層した状態で、プレスすることで、アノードガス拡散層を得た。
[Comparative Example 4]
Instead of the step (3), a sheet-like molded body having a thickness of 30 μm was obtained as the anode porous layer in the same manner as in Example 3, and this anode porous layer was produced in (1). An anode gas diffusion layer was obtained by pressing in a state of being laminated on the substrate.
また、前記（４）の工程に代えて、実施例３と同様に、カソード多孔質層として、厚さが３０μｍのシート状成形体を得て、このカソード多孔質層を、前記（１）で作製した基材上に積層した状態で、プレスすることで、カソードガス拡散層を得た。 Further, in place of the step (4), a sheet-like molded body having a thickness of 30 μm was obtained as the cathode porous layer in the same manner as in Example 3, and this cathode porous layer was obtained by the above (1). The cathode gas diffusion layer was obtained by pressing in a state of being laminated on the prepared base material.
それ以外は、実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例４とする。 Otherwise, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is referred to as Comparative Example 4.
［比較例５］
前記（３）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡを、アノード多孔質層の厚さが３０μｍとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。
[Comparative Example 5]
Instead of the step (3), the porous layer paste A prepared in (2) above is applied to the base material prepared in (1) so that the anode porous layer has a thickness of 30 μm. Application was performed using a blade coater.
また、前記（４）の工程に代えて、前記（１）で作製した基材上に、前記（２）で調製した多孔質層用ペーストＡをインクとして、カソード多孔質層の厚さが４０μｍとなるようにスクリーン印刷を行った。 Further, instead of the step (4), the thickness of the cathode porous layer is 40 μm on the base material prepared in (1) above, using the porous layer paste A prepared in (2) as an ink. Screen printing was performed so that
それ以外は、実施例１と同様にして、電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例５とする。 Otherwise, in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode structure was obtained. This is referred to as Comparative Example 5.
先ず、上記の実施例１〜３及び比較例１〜５に係る電解質膜・電極構造体について、それぞれのアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の表面うねりとして、最大高さうねりＷｚ（μｍ）及び算術平均うねりＷａ（μｍ）を求めた。 First, for the electrolyte membrane / electrode structures according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5, the maximum height waviness Wz (μm) and the surface waviness of each anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer are Arithmetic mean waviness Wa (μm) was determined.
具体的には、最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａは、オリンパス社製のレーザ顕微鏡「ＬＥＸＴ ＯＬＳ４０００」（商品名）を用いて求めた。すなわち、先ず、上記のように作製したアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層のそれぞれを測定試料とした。この測定試料を打ち抜いて、５ｃｍ×５ｃｍのアノード多孔質層側及びカソード多孔質層側の面を測定対象面とした。この測定対象面に対して、測定倍率１００倍とした１２９μｍ×１２９μｍの視野において、１視野つきｘｙ方向（面内方向）に各３カ所の線分析を行い、合計１００視野の測定を行った。 Specifically, the maximum height waviness Wz and the arithmetic average waviness Wa were determined using a laser microscope “LEXT OLS4000” (trade name) manufactured by Olympus Corporation. That is, first, each of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer produced as described above was used as a measurement sample. This measurement sample was punched out, and the surfaces on the anode porous layer side and the cathode porous layer side of 5 cm × 5 cm were used as measurement target surfaces. With respect to this measurement target surface, in a field of view of 129 μm × 129 μm with a measurement magnification of 100 times, line analysis was performed at three locations in the xy direction (in-plane direction) with one field of view, and a total of 100 fields of view were measured.
そして、各視野について、最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａを算出した。この最大高さうねりＷｚ及び算術平均うねりＷａの算出方法について、図２を参照しつつ説明する。先ず、図２に示す長さｌを基準長として、高域フィルタのカットオフ値を８．０μｍに設定し、ＪＩＳ Ｂ ０６３２：１９９４に準じて、断面曲線からうねり曲線ｙ＝ｆ（ｘ）を得る。 Then, the maximum height waviness Wz and the arithmetic average waviness Wa were calculated for each visual field. A method of calculating the maximum height waviness Wz and the arithmetic average waviness Wa will be described with reference to FIG. First, the length l shown in FIG. 2 is set as a reference length, the cutoff value of the high-pass filter is set to 8.0 μm, and the wavy curve y = f (x) is obtained from the cross-sectional curve according to JIS B 0632: 1994. obtain.
最大高さうねりＷｚは、うねり曲線ｙ＝ｆ（ｘ）におけるうねりの最大値Ｗｚ１から最小値Ｗｚ２を引いた差で示される。すなわち、次式（１）で定義される。
Ｗｚ＝Ｗｚ１−Ｗｚ２ …（１）
The maximum height waviness Wz is indicated by a difference obtained by subtracting the minimum value Wz2 from the maximum waviness value Wz1 in the waviness curve y = f (x). That is, it is defined by the following formula (1).
Wz = Wz1-Wz2 (1)
また、算術平均うねりＷａは、うねり曲線ｙ＝ｆ（ｘ）の平均線Ｍ１から測定曲線Ｍ２までの偏差の絶対値を合計した平均値であり、次式（２）で示される。 The arithmetic average waviness Wa is an average value obtained by summing the absolute values of deviations from the average line M1 of the waviness curve y = f (x) to the measurement curve M2, and is expressed by the following equation (2).
上記の１００視野について同様に測定を行って得られた最大高さうねりＷｚの最大値を、測定試料の最大高さうねりＷｚ（μｍ）とした。また、上記１００視野についての算術平均うねりＷａの平均を、測定試料の算術平均うねりＷａ（μｍ）とした。 The maximum value of the maximum height waviness Wz obtained by measuring in the same manner for the above-mentioned 100 fields of view was taken as the maximum height waviness Wz (μm) of the measurement sample. In addition, the average of the arithmetic average waviness Wa for the 100 visual fields was defined as the arithmetic average waviness Wa (μm) of the measurement sample.
次に、上記の実施例１〜３及び比較例１〜５に係る電解質膜・電極構造体について、電解質膜の厚さの分散（膜厚分散）を求めた。 Next, regarding the electrolyte membrane / electrode structures according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5, the thickness dispersion (film thickness dispersion) of the electrolyte membrane was determined.
具体的には、電解質膜の膜厚分散は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて求めた。すなわち、電解質膜の略中央部について、５ｍｍの直線範囲を測定区間とし、この測定区間内で膜厚を１０μｍ間隔で５００点測定した。そして、この測定結果から、次式（３）によって、電解質膜の膜厚分散Ｑ（Ｘ）を算出した。
Ｑ（Ｘ）＝Ｅ（Ｘ2）−（Ｅ（Ｘ））2 …（３）
ただし、Ｅ（Ｘ）は５００点の膜厚測定値の平均の関数（期待値）であり、Ｅ（Ｘ2）は５００点の膜厚測定値の２乗平均の関数（期待値）である。なお、Ｑ（Ｘ）の単位はμｍ2である。
Specifically, the thickness dispersion of the electrolyte membrane was determined using a scanning electron microscope (SEM). That is, about a substantially central part of the electrolyte membrane, a linear range of 5 mm was used as a measurement section, and the film thickness was measured at 500 points at intervals of 10 μm within this measurement section. And from this measurement result, film thickness dispersion | distribution Q (X) of the electrolyte membrane was computed by following Formula (3).
Q (X) = E (X 2 ) − (E (X)) 2 (3)
However, E (X) is an average function (expected value) of the film thickness measured values at 500 points, and E (X 2 ) is a square average function (expected value) of the film thickness measured values at 500 points. . The unit of Q (X) is a μm 2.
次に、実施例１〜３及び比較例１〜５の電解質膜・電極構造体を用いてセルを作製し、それぞれセル電圧（ｍＶ）を求めた。発電条件は、発電温度；５０℃、相対湿度（ＲＨ）；燃料ガス５０％及び酸化剤ガス１００％、ガス利用率；燃料ガス７０％及び酸化剤ガス６０％、ガス圧；燃料ガス及び酸化剤ガスともに１００ｋＰａ、出力電流密度；１．０Ａ／ｃｍ2とした。 Next, cells were prepared using the electrolyte membrane / electrode structures of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5, and the cell voltage (mV) was determined. Power generation conditions are: power generation temperature: 50 ° C., relative humidity (RH); fuel gas 50% and oxidant gas 100%, gas utilization rate: fuel gas 70% and oxidant gas 60%, gas pressure; fuel gas and oxidant The gas was 100 kPa, the output current density was 1.0 A / cm 2 .
上記のようにして求めた、実施例１〜３及び比較例１〜５のそれぞれにおける最大高さうねりＷｚ（μｍ）及び算術平均うねりＷａ（μｍ）、膜厚分散、セル電圧（ｍＶ）の値について、上記のアノード多孔質層及びカソード多孔質層の作成条件とともに図３に示す。 Maximum height waviness Wz (μm) and arithmetic average waviness Wa (μm), film thickness dispersion, and cell voltage (mV) values in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 obtained as described above. Is shown in FIG. 3 together with the conditions for forming the anode porous layer and the cathode porous layer.
図３から、実施例１〜３の電解質膜・電極構造体では、比較例１〜５の電解質膜・電極構造体に比して、電解質膜の膜厚分散を小さく且つ、セル電圧を大きくできることが分かる。 From FIG. 3, in the electrolyte membrane / electrode structures of Examples 1 to 3, the electrolyte membrane / electrode structure of Comparative Examples 1 to 5 can be reduced in thickness dispersion and the cell voltage can be increased. I understand.
実施例１〜３の電解質膜・電極構造体では、アノードガス拡散層のアノード電極触媒層に臨む側、すなわち、アノード多孔質層の最大高さうねりが１０．０μｍ以下であり、算術平均うねりが１．５μｍ以下である。また、カソードガス拡散層のカソード電極触媒層に臨む側、すなわち、カソード多孔質層の最大高さうねりが２０．０〜５０．０μｍであり、算術平均うねりが３．０〜５．０μｍである。つまり、実施例１〜３の電解質膜・電極構造体では、カソードガス拡散層に比して、アノードガス拡散層の表面うねりが小さくなっている。 In the electrolyte membrane / electrode structures of Examples 1 to 3, the anode gas diffusion layer facing the anode electrode catalyst layer, that is, the maximum height waviness of the anode porous layer is 10.0 μm or less, and the arithmetic average waviness is It is 1.5 μm or less. Further, the side of the cathode gas diffusion layer facing the cathode electrode catalyst layer, that is, the maximum height waviness of the cathode porous layer is 20.0 to 50.0 μm, and the arithmetic average waviness is 3.0 to 5.0 μm. . That is, in the electrolyte membrane / electrode structures of Examples 1 to 3, the surface undulation of the anode gas diffusion layer is smaller than that of the cathode gas diffusion layer.
上記のようにカソードガス拡散層及びアノードガス拡散層の表面うねりを設定することによって、電解質膜の厚さのバラツキが適切に低減され、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制できる。また、ガス拡散性を良好に維持して、フラッディングを効果的に抑制することができる。つまり、電解質膜の物理的な変形や損傷を簡素な構成で効果的に抑制して、優れた耐久性及び発電性能を示すことができる。 By setting the surface waviness of the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer as described above, variations in the thickness of the electrolyte membrane are appropriately reduced, and physical deformation and damage of the electrolyte membrane are effective with a simple configuration. Can be suppressed. In addition, the gas diffusibility can be maintained well and flooding can be effectively suppressed. That is, it is possible to effectively suppress physical deformation and damage of the electrolyte membrane with a simple configuration, and to exhibit excellent durability and power generation performance.
１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４…アノード側セパレータ １４ａ、１６ａ…面
１６…カソード側セパレータ １８…燃料ガス流路
２０…酸化剤ガス流路 ２２…冷却媒体流路
２４…電解質膜 ２６…アノード電極
２８…カソード電極 ３０…アノード電極触媒層
３２、４０…基材 ３４…アノード多孔質層
３５…アノードガス拡散層 ３６…アノード絶縁シート
３８…カソード電極触媒層 ４２…カソード多孔質層
４３…カソードガス拡散層 ４４…カソード絶縁シート
４６、４８…シール部材
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記アノード電極は、前記電解質膜に臨むアノード電極触媒層と、アノードガス拡散層とを有し、
前記カソード電極は、前記電解質膜に臨むカソード電極触媒層と、カソードガス拡散層とを有し、
前記アノードガス拡散層は、前記カソードガス拡散層に比して、前記電解質膜に臨む側の表面うねりが小さいことを特徴とする電解質膜・電極構造体。 An electrolyte membrane / electrode structure configured by sandwiching an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane between an anode electrode and a cathode electrode,
The anode electrode has an anode electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, and an anode gas diffusion layer,
The cathode electrode has a cathode electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, and a cathode gas diffusion layer,
2. The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the anode gas diffusion layer has a smaller surface undulation on the side facing the electrolyte membrane than the cathode gas diffusion layer.
前記アノードガス拡散層の最大高さうねりが１０．０μｍ以下であり、
前記カソードガス拡散層の最大高さうねりが２０．０〜５０．０μｍであることを特徴とする電解質膜・電極構造体。 The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1,
The maximum height waviness of the anode gas diffusion layer is 10.0 μm or less,
An electrolyte membrane / electrode structure, wherein the cathode gas diffusion layer has a maximum height waviness of 20.0 to 50.0 μm.
前記アノードガス拡散層の算術平均うねりが１．５μｍ以下であり、
前記カソードガス拡散層の算術平均うねりが３．０〜５．０μｍであることを特徴とする電解質膜・電極構造体。 In the electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1 or 2,
The arithmetic average waviness of the anode gas diffusion layer is 1.5 μm or less,
An arithmetic average undulation of the cathode gas diffusion layer is 3.0 to 5.0 μm.
前記アノードガス拡散層は、前記アノード電極触媒層に臨むアノード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなり、
前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることを特徴とする電解質膜・電極構造体。 The electrolyte membrane / electrode structure according to any one of claims 1 to 3,
The anode gas diffusion layer is composed of a laminate in which an anode porous layer facing the anode electrode catalyst layer and carbon paper or carbon cloth are laminated,
2. The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the cathode gas diffusion layer comprises a laminate in which a cathode porous layer facing the cathode electrode catalyst layer and carbon paper or carbon cloth are laminated.
前記アノードガス拡散層は、電子伝導性物質及び撥水性樹脂を含むアノード多孔質層からなり、
前記カソードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロスを含むことを特徴とする電解質膜・電極構造体。 The electrolyte membrane / electrode structure according to any one of claims 1 to 3,
The anode gas diffusion layer is composed of an anode porous layer containing an electron conductive material and a water repellent resin,
The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the cathode gas diffusion layer includes carbon paper or carbon cloth.
前記カソードガス拡散層は、前記カソード電極触媒層に臨むカソード多孔質層と、前記カーボンペーパ又はカーボンクロスとを積層した積層体からなることを特徴とする電解質膜・電極構造体。 The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 5,
2. The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the cathode gas diffusion layer comprises a laminate in which a cathode porous layer facing the cathode electrode catalyst layer and the carbon paper or carbon cloth are laminated.
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