JPH09265993A - Solid polymer type fuel cell - Google Patents
Solid polymer type fuel cellInfo
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- JPH09265993A JPH09265993A JP8077014A JP7701496A JPH09265993A JP H09265993 A JPH09265993 A JP H09265993A JP 8077014 A JP8077014 A JP 8077014A JP 7701496 A JP7701496 A JP 7701496A JP H09265993 A JPH09265993 A JP H09265993A
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、電解質膜型燃料電池の
電極の構造に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode structure of an electrolyte membrane fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池は電解質を介しての酸化還元反
応に基づく電力をさまざまな用途に利用しようとするも
のであって、このために電解質の両側に電極を配して反
応ガスを供給して電力を回収できるように構成してい
る。燃料電池の１つの形態として固体高分子型燃料電池
が知られている。固体高分子膜型燃料電池は、一般的
に、水素イオン導電性の固体高分子電解膜を白金触媒を
担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電素子
すなわち固体高分子−電極接合体及び反応ガスを供給す
るためのガス通路溝が設けられ、発電素子を両側から支
持するガス分離部材とを積層した構造を有する。そし
て、一方の電極に燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化
剤ガスを供給して、燃料ガスと酸素の化学エネルギーを
直接電気エネルギーに変換することによって電気エネル
ギーを抽出するようになっている。固体高分子型燃料電
池において、水素と酸素による電気化学反応が生じると
電極間に電流が発生するとともに、カソード側に水が生
成する。そして、固体高分子型燃料電池においては、他
の燃料電池と比較して動作温度が約８０℃と比較的低温
であるために、可搬型の電源、特に電気自動車用のパワ
ーソースに適している。2. Description of the Related Art A fuel cell intends to utilize electric power based on a redox reaction via an electrolyte for various purposes. To this end, electrodes are arranged on both sides of the electrolyte to supply a reaction gas. It is configured to be able to recover the electric power. A polymer electrolyte fuel cell is known as one form of the fuel cell. A solid polymer membrane fuel cell is generally a power generation element constituted by sandwiching a hydrogen ion conductive solid polymer electrolyte membrane between carbon electrodes carrying a platinum catalyst, that is, a solid polymer-electrode assembly and a reaction gas. Is provided with a gas passage groove for supplying the gas, and has a structure in which a gas separation member supporting the power generation element from both sides is laminated. Then, the fuel gas is supplied to one electrode, the oxidant gas is supplied to the other electrode, and the electrical energy is extracted by directly converting the chemical energy of the fuel gas and oxygen into electrical energy. . In the polymer electrolyte fuel cell, when an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, a current is generated between the electrodes and water is generated on the cathode side. Since the polymer electrolyte fuel cell has a relatively low operating temperature of about 80 ° C. as compared with other fuel cells, it is suitable for a portable power source, particularly a power source for electric vehicles. .
【０００３】しかし、自動車用として用いる場合には、
燃料である水素ガスは、可搬型のタンク又は可搬型の改
質装置等により自動車で確保する必要がある。一方、酸
化剤ガスとしては、システムの軽量化、コスト面等の理
由から空気が使用される。この場合、純酸素に比較して
酸素分圧が約１／５と低下するので、燃料電池の反応の
中で酸素還元反応速度及び物質移動の問題が生じる。こ
の問題に対して、一般的には、空気を圧縮して燃料電池
に供給する方法が取られる。しかし、この場合、空気圧
縮装置を駆動するためのエネルギーを消費するために、
その分、燃料電池全体のエネルギー効率は低下すること
に注意すべきである。このような事情に鑑み、低酸素分
圧下でも高いエネルギー効率を達成するために、さまざ
まな手法が提案されている。たとえば、触媒物質（８０
℃程度の低温状態で酸化還元反応に対し活性を有するの
は通常は白金触媒である）を微粒化させることによって
触媒活性を向上させること、耐腐食カーボン担持によっ
て触媒物質の定着性を向上させること、アノードガス、
カソードガスをイオン伝導体、触媒物質及び反応ガスと
からなる三界相反応領域において触媒物質を偏在させる
白金スパッタ薄膜を形成することによって触媒活性を向
上させること、等が知られている。白金スパッタ薄膜を
触媒層表面に形成することによって触媒の電気化学的特
性を発揮する表面積が向上し、酸素還元反応活性が向上
する。However, when used for automobiles,
Hydrogen gas, which is a fuel, must be secured in a vehicle by a portable tank or a portable reformer. On the other hand, as the oxidant gas, air is used for reasons such as weight reduction of the system and cost. In this case, the oxygen partial pressure is reduced to about ⅕ as compared with pure oxygen, which causes problems of oxygen reduction reaction rate and mass transfer in the reaction of the fuel cell. To solve this problem, a method of compressing air and supplying the compressed air to the fuel cell is generally adopted. However, in this case, in order to consume the energy to drive the air compressor,
It should be noted that the energy efficiency of the entire fuel cell is correspondingly reduced. In view of such circumstances, various methods have been proposed to achieve high energy efficiency even under low oxygen partial pressure. For example, the catalytic material (80
It is usually a platinum catalyst that has an activity for redox reaction at low temperature of about ℃) to improve the catalytic activity by atomizing it, and to improve the fixing property of the catalytic material by supporting corrosion resistant carbon. , Anode gas,
It is known to improve the catalytic activity by forming a platinum sputtered thin film in which a cathode gas is unevenly distributed in a three-phase reaction region composed of an ion conductor, a catalyst material and a reaction gas. By forming the platinum sputtered thin film on the surface of the catalyst layer, the surface area of the catalyst that exhibits electrochemical characteristics is improved, and the oxygen reduction reaction activity is improved.
【０００４】しかし、白金スパッタ薄膜を触媒層表面に
形成することについては以下のような問題がある。すな
わち電極の固体高分子電解質膜表面に形成した白金スパ
ッタ薄膜が触媒層表面を覆い、これによって水分等の移
動を阻害することによって燃料電池の全体の発電効率を
改善することができなくなるという問題である。特開平
７−１３４９９５号公報には、カソード電極側で発生す
る生成水を効率的に除去することによって燃料電池の性
能を向上させるようにした技術が開示されている。上記
公報には、固体高分子からなる電解質膜とこの電解質膜
の両側に配置した燃料極と空気極とを備えた燃料電池で
あって、空気極の触媒層は、表面が疎水性となった炭素
粒子と該炭素粒子に担持された触媒とで構成し、燃料極
の触媒層は、表面が親水性となった炭素粒子と該炭素粒
子に担持された触媒とで構成したものが開示されてい
る。これによって空気側では生成水によるフラッディン
グの問題を解消し、燃料極側では、燃料極側電解質の乾
燥状態を解消できるとしている。However, forming a platinum sputtered thin film on the surface of the catalyst layer has the following problems. In other words, the platinum sputtered thin film formed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane of the electrode covers the surface of the catalyst layer, which impedes the movement of water and the like, which makes it impossible to improve the overall power generation efficiency of the fuel cell. is there. Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-134995 discloses a technique for improving the performance of a fuel cell by efficiently removing generated water generated on the cathode electrode side. In the above publication, there is provided a fuel cell including an electrolyte membrane made of a solid polymer and a fuel electrode and an air electrode arranged on both sides of the electrolyte membrane, wherein a catalyst layer of the air electrode has a hydrophobic surface. Disclosed is a structure comprising carbon particles and a catalyst supported on the carbon particles, and the catalyst layer of the fuel electrode is composed of carbon particles having a hydrophilic surface and a catalyst supported on the carbon particles. There is. As a result, the problem of flooding due to generated water can be solved on the air side, and the dry state of the fuel electrode side electrolyte can be solved on the fuel electrode side.
【０００５】[0005]
【解決しようとする課題】上記特開平７−１３４９９５
号に開示される燃料電池は、電極のアノード側またはカ
ソード側の水分の供給及び排除を効果的に制御する構造
を提供するものであって、いわば物質移動の面から電池
性能を改善しようとするものである。この構成では、１
面的には一定の効果を奏することができるものの、上記
したような触媒活性及び物質移動の問題の両方の要因を
総合的に勘案したものではなく、電池性能改善効果にお
いて一定の限界性を有するものである。本発明は、以上
のような事情に鑑みて構成されたもので、上記特開平７
−３４９９３号公報等に開示される公知のものとは異な
る手法によって、性能を改善することができ、しかもコ
スト的にも有利な燃料電池の電極構造を提供することを
目的とする。[Problems to be Solved] Japanese Patent Laid-Open No. 7-134995
The fuel cell disclosed in U.S. Pat. No. 6,096,981 provides a structure for effectively controlling the supply and removal of water on the anode side or the cathode side of an electrode, and seeks to improve cell performance in terms of mass transfer. It is a thing. In this configuration, 1
Although it is possible to achieve a certain effect in terms of dimensions, it does not take into consideration factors such as the above-mentioned problems of both catalytic activity and mass transfer comprehensively, and it has a certain limit in improving battery performance. It is a thing. The present invention is constructed in view of the above circumstances, and is described in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No.
An object of the present invention is to provide an electrode structure of a fuel cell, which can improve performance and is advantageous in terms of cost by a method different from the known one disclosed in Japanese Patent Publication No. 34993 / etc.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明は、固体高分子電解質膜の一方の側にアノード側触媒
電極を設け、他方の側にカソード側触媒電極を設けた固
体高分子型燃料電池において、前記カソード側触媒電極
における酸素還元反応触媒層の固体高分子電解質膜界面
側に触媒物質を含有する物質移動可能な薄膜状態の触媒
層を設けたことを特徴とする。この薄膜状態の触媒層
は、例えば触媒物質として白金を含有するもので構成す
ることがが望ましく、白金、白金合金あるいは白金とカ
ーボンなどの担持材料との複合材料のスパッタリング、
蒸着等、非平衡的手段によって上記微粒子状態で触媒層
表面に薄膜を形成することができる任意の手段を用いる
ことができる。上記の「物質移動が可能な」という意味
は、反応ガス、プロトンＨ+ 、反応媒体としての湿分、
生成水分等が移動可能な媒体としての構造を有するとい
う意味であり、金属組織からなる密な膜を意味しない。
好ましくは、前記薄膜状態の触媒層の厚さは１μｍ以下
である。To achieve the above object, the present invention is configured as follows. That is, the present invention provides a solid polymer electrolyte fuel cell in which an anode side catalyst electrode is provided on one side of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode side catalyst electrode is provided on the other side, and oxygen reduction at the cathode side catalyst electrode is performed. It is characterized in that a catalyst layer containing a catalyst substance and capable of mass transfer is provided on the solid polymer electrolyte membrane interface side of the reaction catalyst layer. It is desirable that the catalyst layer in the thin film state is composed of, for example, one containing platinum as a catalyst substance, and sputtering of a composite material of platinum, a platinum alloy or platinum and a supporting material such as carbon,
Any means capable of forming a thin film on the surface of the catalyst layer in the fine particle state by a non-equilibrium means such as vapor deposition can be used. The above-mentioned "mass transfer is possible" means reaction gas, proton H + , moisture as a reaction medium,
This means that it has a structure as a medium in which generated water and the like can move, and does not mean a dense film made of a metal structure.
Preferably, the thickness of the catalyst layer in the thin film state is 1 μm or less.
【０００７】前記薄膜状態の触媒層の好ましい態様の１
つは、直流あるいは交流スパッタリングによって形成さ
れた白金含有スパッタ薄膜触媒層である。また、好まし
くは、薄膜状態の触媒層における白金含有量は約０．０
１〜０．１ｍｇ／ｃｍ2 であることを特徴とする固体高
分子型燃料電池。前記薄膜状態の触媒層における白金含
有量は触媒担持体であるカーボンブラックに対して１０
〜６０重量％の範囲であることが好ましい。前記薄膜状
態の触媒層は触媒物質としての白金とカーボンブラック
等の親水性材料を含んで直流あるいは交流特に、高周波
スパッタリングによって形成された複合スパッタ薄膜か
ら構成されているのが好ましい。さらに、前記触媒層を
スパッタリングによって形成された白金含有合金スパッ
タ薄膜とすることもできる。One of preferred embodiments of the catalyst layer in the thin film state
One is a platinum-containing sputtered thin film catalyst layer formed by DC or AC sputtering. Also, preferably, the platinum content in the thin catalyst layer is about 0.0
A polymer electrolyte fuel cell, which is 1 to 0.1 mg / cm 2 . The platinum content in the catalyst layer in the thin film state was 10 with respect to the carbon black as the catalyst carrier.
It is preferably in the range of ˜60% by weight. It is preferable that the catalyst layer in a thin film state is composed of a composite sputtered thin film containing platinum and carbon black as a catalytic material and a hydrophilic material such as carbon black and formed by direct current or alternating current, especially by high frequency sputtering. Further, the catalyst layer may be a platinum-containing alloy sputtered thin film formed by sputtering.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】燃料電池の電極反応は、電解質膜
の両側の触媒層の内部で生じ、その反応が活発であるほ
ど燃料電池から取り出すことができるエネルギーは増大
する。すなわち、燃料電池の性能は向上する。しかし、
上記電極反応によって生じる電流は、触媒層の厚さ方向
に一様ではなく、電解質膜の界面に近い位置ほど活発で
あり、界面から離れるにしたがって、反応活性は低下す
る。本発明はこのような燃料電池における電極反応現象
の実態に着目してなされたものであって、電極反応の最
も活発に生じる電解質膜界面近傍の触媒層領域において
より活発な反応を促すように構成するものである。すな
わち、触媒層の電解質膜近傍においては、電極反応が促
進される環境を作るために触媒物質密度の高い物質移動
可能な薄膜状態の触媒層を形成する。好ましい態様で
は、これに対応して高いイオン伝導体密度を与える。本
発明の上記構成によってアノード側から電解質膜を介し
て移動してきたプロトンすなわちＨ+ とアノード電極に
おいて集電されて外部仕事をして外部回路を経由してカ
ソード電極に供給される電子とカソード電極に供給され
る酸素とのカソード側における結合を最も効率的に行わ
せることができるものである。すなわち本発明によって
酸化還元反応速度を高く維持することができるととも
に、燃料電池の電解質膜及びその両側に配置される触媒
層、拡散層を通じての物質移動抵抗を極力低く抑えるこ
とができるものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The electrode reaction of a fuel cell occurs inside the catalyst layers on both sides of the electrolyte membrane, and the more vigorous the reaction, the more energy that can be extracted from the fuel cell. That is, the performance of the fuel cell is improved. But,
The current generated by the electrode reaction is not uniform in the thickness direction of the catalyst layer and is more active at a position closer to the interface of the electrolyte membrane, and the reaction activity decreases as the distance from the interface increases. The present invention has been made by paying attention to the actual state of the electrode reaction phenomenon in such a fuel cell, and is configured to promote a more active reaction in the catalyst layer region near the electrolyte membrane interface where the electrode reaction most actively occurs. To do. That is, in the vicinity of the electrolyte membrane of the catalyst layer, in order to create an environment in which the electrode reaction is promoted, a catalyst layer having a high catalyst substance density and capable of mass transfer is formed. The preferred embodiment provides a correspondingly high ionic conductor density. According to the above-described structure of the present invention, the protons, that is, H + that have moved from the anode side through the electrolyte membrane, and the electrons that are collected at the anode electrode, perform external work, and are supplied to the cathode electrode through the external circuit, and the cathode electrode. It is possible to most efficiently perform the binding on the cathode side with the oxygen supplied to the. That is, according to the present invention, the oxidation-reduction reaction rate can be maintained high, and the mass transfer resistance through the electrolyte membrane of the fuel cell, the catalyst layers and diffusion layers arranged on both sides of the electrolyte membrane can be suppressed as low as possible.
【０００９】触媒物質は、代表的には白金または白金合
金（Pt/Cr,Pt/Co,Pt/Rh,Pt/Ni)等であり、塩還元法など
で導電性と耐腐食性を有するカーボンブラックを担持体
として上記触媒物質を担持させたものを使用する。触媒
物質密度は触媒物質と担持体との重量比を変化させるこ
とによって調節する。薄膜状態の触媒層を形成するにあ
たっては、白金担持カーボンブラックのような白金すな
わち触媒物質と親水性材料とを組み合わせた複合材料を
用いるのが好ましい。このように親水性材料と白金とを
組合せることによって、良好な物質移動特性を容易に確
保できるという利点がある。薄膜状態の触媒層を形成す
るにおいて、代表的には、上記のような触媒物質、触媒
物質含有合金あるいは、触媒物質−親水性材料との複合
材料を使用して通常の触媒層の表面にスパッタリングに
よって約１μｍ以下のスパッタ薄膜を形成する。このス
パッタ薄膜における白金密度は０．０１ｍｇ／ｃｍ2 以
上好ましくは、０．０３〜０．０７ｍｇ／ｃｍ2 の範囲
である。このスパッタ薄膜を１μｍ以下に抑えるのは、
厚すぎると白金量が増大してコスト的に不利となるだけ
でなく、物質移動への悪影響が顕著となるからである。
また、上記のイオン伝導体としてはスルホン酸基を有す
るフッ素樹脂などがあげられる。The catalyst substance is typically platinum or a platinum alloy (Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Rh, Pt / Ni), etc., and is a carbon having conductivity and corrosion resistance by a salt reduction method or the like. A support carrying the above-mentioned catalyst substance as black is used. The catalyst material density is adjusted by changing the weight ratio of catalyst material to support. When forming the catalyst layer in a thin film state, it is preferable to use platinum such as platinum-supporting carbon black, that is, a composite material in which a catalyst substance and a hydrophilic material are combined. By thus combining the hydrophilic material and platinum, there is an advantage that good mass transfer characteristics can be easily ensured. In forming a catalyst layer in a thin film state, typically, a catalyst material, a catalyst material-containing alloy, or a composite material of a catalyst material and a hydrophilic material as described above is used to perform sputtering on the surface of an ordinary catalyst layer. To form a sputtered thin film of about 1 μm or less. Platinum density in the sputtered film is 0.01 mg / cm 2 or more preferably in the range of 0.03~0.07mg / cm 2. To keep this sputtered thin film below 1 μm,
If it is too thick, not only will the amount of platinum increase, which is disadvantageous in terms of cost, but the adverse effect on mass transfer will be significant.
Further, examples of the above-mentioned ion conductor include fluororesin having a sulfonic acid group.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 （本発明の実施例にかかる固体高分子電解質膜電極接合
体）全体構造 図１には、本発明の１実施例にかかる単一の固体高分子
電解質膜電極接合体からなる燃料電池の断面の概略が示
されている。本例の燃料電池１は中央に固体高分子電解
質膜２を備えその一方の側に燃料としての水素が供給さ
れる酸化電極すなわちアノード電極３、他方の側に還元
反応用の酸素源としての空気が供給される還元極すなわ
ちカソード電極４を備える基本構造になっている。アノ
ード電極３は、カーボンクロス３１、その内側に拡散層
３２さらにその内側に触媒層３３を積層して接合するこ
とによって構成されている。そして、アノード電極３の
外側には、ガスの分離及び発電した電力の集電機能を有
する溝付ガス分離板３０が設けられている。溝付ガス分
離板３０は、内部を燃料ガスである水素ガスがプロトン
Ｈ+ を電解質膜側に供給しつつ流通するアノードガス通
路３４を画成するための深さ約１ｍｍの溝を備えてい
る。Embodiments of the present invention will be described below. (Solid Polymer Electrolyte Membrane Electrode Assembly According to an Embodiment of the Present Invention) Overall Structure FIG. 1 shows a cross section of a fuel cell including a single solid polymer electrolyte membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. A schematic is shown. The fuel cell 1 of this example has a solid polymer electrolyte membrane 2 in the center, and an oxidation electrode or anode electrode 3 to which hydrogen as a fuel is supplied on one side, and air as an oxygen source for a reduction reaction on the other side. Has a basic structure including a reduction electrode, that is, a cathode electrode 4. The anode electrode 3 is configured by laminating and bonding a carbon cloth 31, a diffusion layer 32 inside thereof, and a catalyst layer 33 inside thereof. A grooved gas separation plate 30 having a gas separation function and a power collection function for the generated power is provided outside the anode electrode 3. The grooved gas separation plate 30 is provided with a groove having a depth of about 1 mm for defining an anode gas passage 34 through which hydrogen gas, which is a fuel gas, flows while supplying protons H + to the electrolyte membrane side. .
【００１１】アノード電極３と溝付ガス分離板３０とで
アノード側電極接合体を構成する。カーボンクロス３１
の拡散層３２との面接触部は、水素分子から発生する電
子を集電する集電部を構成する。カソード電極側も同様
な構成になっており、カーボンクロス４１、拡散層４
２、触媒層４３の積層接合構造を有する。そしてカーボ
ンクロス４１の外側には溝付ガス分離板４０を備えてお
り、酸素ガスが外部に漏れ出ないようにまた、カーボン
クロス表面を屈曲しつつ延びる溝をガスがショートパス
しないように分離を行なう役割をもつ。そして、溝付ガ
ス分離板４０は、電解質膜側からのプロトンＨ+ と接触
して水を生成する酸素を流通させるカソードガス通路４
４を画成する溝を有している。カソード電極４と溝付ガ
ス分離板４０とでカソード側電極接合体を構成する。上
記構成によって図１に概念的に示すようにアノード側か
ら電解質膜２を介して移動してきたプロトンすなわちＨ
+ とアノード電極３において集電されて外部仕事をして
外部回路を経由してカソード電極４に供給される電子と
のカソード電極側で結合される。すなわちアノード電極
側では、水素分子が電子を奪われることによってプロト
ンＨ+ が発生し、カソード電極側では、電解質膜２を介
して伝導されたプロトンＨ+ と外部負荷を有する外部回
路からの電子とカソードガス通路から供給される酸素分
子とが反応して水分子が生成する。The anode electrode 3 and the grooved gas separation plate 30 constitute an anode side electrode assembly. Carbon cloth 31
The surface contact portion with the diffusion layer 32 constitutes a current collecting portion that collects electrons generated from hydrogen molecules. The cathode electrode side also has the same structure, and includes the carbon cloth 41 and the diffusion layer 4
2. It has a laminated joining structure of the catalyst layer 43. A grooved gas separation plate 40 is provided on the outer side of the carbon cloth 41 to separate the oxygen gas from leaking to the outside and to prevent the gas from short-passing the groove extending while bending the surface of the carbon cloth. Have a role to play. The grooved gas separation plate 40 is in contact with the proton H + from the electrolyte membrane side, and the cathode gas passage 4 that circulates oxygen for generating water.
4 has a groove defining 4. The cathode electrode 4 and the grooved gas separation plate 40 form a cathode-side electrode assembly. With the above structure, protons, that is, H, that have moved from the anode side through the electrolyte membrane 2 as conceptually shown in FIG.
+ And the electrons that are collected in the anode electrode 3 to perform external work and are supplied to the cathode electrode 4 via the external circuit are combined on the cathode electrode side. That is, on the anode electrode side, protons H + are generated by depriving the hydrogen molecules of electrons, and on the cathode electrode side, protons H + conducted through the electrolyte membrane 2 and electrons from an external circuit having an external load are generated. Oxygen molecules supplied from the cathode gas passage react with each other to generate water molecules.
【００１２】各電極３、４の中間の電解質膜２からカソ
ード電極４に至る積層状態の詳細が図２に示されてお
り、電解質膜２の外側には触媒層４３が設けられ、その
触媒層の電解質膜側表面には、白金−カーボンブラック
複合スパッタ薄膜４３１が形成されている。そして、触
媒層４３の外側に拡散層４２が設けられ、さらにその外
側にカーボンクロス４１が接合されて構成される。カーボンクロス カーボンクロス３１、４１は、固体高分子電解質膜電極
接合体において、溝付ガス分離板３０、４０のすぐ内側
に配置される電極部分の基層を成す部分であって、基本
的に上記のアノード電極反応、カソード電極反応にかか
る電子の移動を担う集電部材としての役割を持つ。さら
に、各電極３、４における物質移動、特にアノードガ
ス、カソードガスをイオン伝導体、触媒物質及び反応ガ
スとからなる三界相反応領域に対して効果的に供給する
ことができるようになっていること、およびカソード電
極４において発生する水分の排出を効果的に行うことが
できるようになっていることが望ましい。本例において
は、アノード側カーボンクロス３１およびカソード側カ
ーボンクロス４１はいずれもカーボン繊維を織って構成
されるカーボンクロスを用いる。本例において電極とし
て使用されるカーボンクロスは米国Ｅ−ＴＥＫ社製の商
品名: “Ａ”Cloth であり、重量は、１１６ｇ／ｍ2 、
厚さは、約０．３５ｍｍである。本例の電極を構成する
に当たってフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン
（以下ＰＴＦＥという））分散溶液（約０．２μｍ程度
の粒径のＰＴＦＥが５４〜５５重量パーセント含まれて
おり、所定量の界面活性剤とともに安定分散している
（三井・デュポンフロロケミカル（株）から商品名TEFL
ON FEP120-Ｊとして提供されている））によってカーボ
ンクロスの表面処理を行い撥水性を付与した。このカー
ボンクロスの撥水化処理は、ＰＴＦＥを界面活性剤とと
もに分散させた溶液を脱イオン水で４９重量％に希釈し
た溶液中に上記カーボンクロスを５分間浸した後濾紙で
余分な溶液を拭き取り、その後、窒素雰囲気の電気炉中
で温度約３４０℃で１時間ＰＴＦＥを焼結させた。The details of the laminated state from the electrolyte membrane 2 in the middle of each electrode 3, 4 to the cathode electrode 4 are shown in FIG. 2. A catalyst layer 43 is provided outside the electrolyte membrane 2, and the catalyst layer 43 is provided. A platinum-carbon black composite sputtered thin film 431 is formed on the surface of the electrolyte membrane side. The diffusion layer 42 is provided outside the catalyst layer 43, and the carbon cloth 41 is joined to the outside thereof. Carbon cloth The carbon cloth 31, 41 is a portion which forms a base layer of an electrode portion which is arranged immediately inside the grooved gas separation plates 30, 40 in the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly, and is basically the above-mentioned portion. It has a role as a current collecting member responsible for the movement of electrons involved in the anode electrode reaction and the cathode electrode reaction. Further, it is possible to effectively supply the mass transfer in each of the electrodes 3 and 4, particularly the anode gas and the cathode gas to the three-phase reaction region composed of the ion conductor, the catalyst material and the reaction gas. In addition, it is desirable that the water generated in the cathode electrode 4 can be effectively discharged. In this example, the anode side carbon cloth 31 and the cathode side carbon cloth 41 are both carbon cloths woven from carbon fibers. The carbon cloth used as the electrode in this example is a product name: “A” Cloth manufactured by E-TEK, USA, and the weight is 116 g / m 2 ,
The thickness is about 0.35 mm. In constructing the electrode of this example, a fluororesin (polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE)) dispersion solution (54 to 55% by weight of PTFE having a particle diameter of about 0.2 μm was contained, and a predetermined amount of surface active agent was used. Stable dispersion with agent (trade name TEFL from Mitsui DuPont Fluorochemicals Co., Ltd.)
ON FEP120-J)) was applied to the surface of the carbon cloth to impart water repellency. The water repellent treatment of this carbon cloth was carried out by dipping the carbon cloth in a solution prepared by dispersing PTFE with a surfactant to 49% by weight with deionized water for 5 minutes, and then wiping off the excess solution with a filter paper. After that, PTFE was sintered at a temperature of about 340 ° C. for 1 hour in an electric furnace in a nitrogen atmosphere.
【００１３】拡散層 拡散層は、カーボンクロスの内側に触媒層と接触するよ
うに設けられるものであって、電極と同様に触媒層に対
し、および触媒層からの物質移動が効果的に行われるよ
うに機能する必要があるとともに、触媒層と電極との間
に介在する媒体として集電機能を効果的に発揮するもの
でなければならない。本例では、拡散層は、カーボンブ
ラックとＰＴＦＥとの焼結体として構成されている。両
者の重量比は、６：４であり、その単位面積当たりの密
度は、それぞれ２．４ｍｇ、１．６ｍｇである。なお、
カーボンブラックとしては、Cabot Corporation から提
供されている商標名Vulcan XC-72( 表面積約２５０ｍ2
／ｇ）を用いた。 拡散層の製造 カーボンブラック３１５ｍｇと上記市販のＰＴＦＥ分散
溶液３８９ｍｇを４０ｍｌの純水および４０ｍｌのイソ
プロパノールとともに混合し、超音波洗浄器を用いて分
散させた。この分散調製液を上記の電極として撥水処理
したカーボンクロス上にスプレーを用いドライヤーを用
いて乾燥させながら吹きつけた。上記分散溶液がカーボ
ンクロス上に付着する率は５〜３０％である。吹きつけ
完了後、約５０ｋｇのローラーによって拡散層を形成し
たカーボンクロスを約０．２〜０．５ｍｍの厚さに圧縮
した。次に、上記の窒素雰囲気の電気炉中で約３００℃
〜３５０℃で約１時間ＰＴＦＥを焼結させることによっ
てカーボンクロス上に拡散層を形成した。 Diffusion Layer The diffusion layer is provided inside the carbon cloth so as to be in contact with the catalyst layer, and like the electrode, mass transfer is effectively performed to and from the catalyst layer. In addition to functioning as described above, it must also effectively exhibit a current collecting function as a medium interposed between the catalyst layer and the electrode. In this example, the diffusion layer is configured as a sintered body of carbon black and PTFE. The weight ratio of the both is 6: 4, and the densities per unit area thereof are 2.4 mg and 1.6 mg, respectively. In addition,
As carbon black, trade name Vulcan XC-72 (surface area of about 250 m 2 provided by Cabot Corporation
/ G) was used. Production of Diffusion Layer 315 mg of carbon black and 389 mg of the commercially available PTFE dispersion solution were mixed with 40 ml of pure water and 40 ml of isopropanol and dispersed using an ultrasonic cleaner. This dispersion-prepared liquid was sprayed onto the water repellent carbon cloth as the above-mentioned electrode while being dried using a sprayer and a dryer. The rate at which the dispersion solution adheres to the carbon cloth is 5 to 30%. After the completion of spraying, the carbon cloth having the diffusion layer formed thereon was compressed by a roller of about 50 kg to a thickness of about 0.2 to 0.5 mm. Next, in an electric furnace in the above-mentioned nitrogen atmosphere, about 300 ° C
A diffusion layer was formed on the carbon cloth by sintering PTFE at ˜350 ° C. for about 1 hour.
【００１４】触媒層 （カソード電極側）本例では、カソード電極側の触媒層
全体として約４０μｍの厚さを有する。触媒層４３の電
解質膜側表面には、スパッタリングによって白金担持カ
ーボンブラックスパッタ薄膜が形成される。スパッタ薄
膜自体の膜厚はほぼ１μｍ以下に形成される。しかし、
触媒層の表面が多孔質になっているためにスパッタリン
グによって白金担持カーボンブラックが付着する触媒層
の影響領域は、約５μｍの範囲に及ぶ。従ってスパッタ
薄膜領域は本例では、約５μｍとなる。したがって触媒
層（２０％Ｐｔ／Ｃ（重量パーセント））の厚さは約３
５μｍとなる。この触媒層における白金の平均粒径は約
２．５ｎｍである。各触媒層の組成は、図３に示す通り
である。なお、図３において、Nafionは、デュポン社か
ら提供される電解質膜の商品名ポリマー含有液であり、
そのポリマーの構造は、図４に示すAciplex-S(1004) と
同様のものである。このポリマー含有液Nafionは、水と
エタノールを等量混合した溶液中に所定量のポリマーを
分散させたものである。本例では、ポリマーの濃度は、
５ｗｔパーセントのものを使用している。カソード電極
側の触媒層の製造について説明する。触媒層を形成する
に当たってまず、所定量の原料を含む分散溶液を調製す
る。触媒層４３については、重量比２０パーセントの白
金を担持したカーボンブラックを１６０ｍｇ、重量比５
５％のＰＴＦＥ分散溶液（TEFLON FEP120-Ｊ）を１５８
ｍｇとを調製し、これを純水４０ｍｌおよびイソプロパ
ノール４０ｍｌと混合し超音波洗浄器を用いて分散させ
た。上記ＰＴＦＥ分散溶液中においては約０．２μｍ程
度の粒径のＰＴＦＥが５４〜５５重量パーセント含まれ
ており、所定量の界面活性剤とともに安定分散してい
る。つぎに、上記で調製した触媒層用の分散溶液をスプ
レーを用いて上記の拡散層を形成した半製品の拡散層の
面上に吹きつけて、触媒層４３を形成した。 Catalyst layer (cathode electrode side) In this example, the entire catalyst layer on the cathode electrode side has a thickness of about 40 μm. A platinum-supporting carbon black sputtered thin film is formed on the surface of the catalyst layer 43 on the electrolyte membrane side by sputtering. The film thickness of the sputtered thin film itself is formed to be approximately 1 μm or less. But,
Since the surface of the catalyst layer is porous, the area of influence of the catalyst layer to which the platinum-supporting carbon black is attached by sputtering extends to a range of about 5 μm. Therefore, the sputtered thin film region is about 5 μm in this example. Therefore, the thickness of the catalyst layer (20% Pt / C (weight percent)) is about 3
5 μm. The average particle size of platinum in this catalyst layer is about 2.5 nm. The composition of each catalyst layer is as shown in FIG. Note that, in FIG. 3, Nafion is a trade name polymer-containing liquid of an electrolyte membrane provided by DuPont.
The structure of the polymer is similar to that of Aciplex-S (1004) shown in FIG. The polymer-containing liquid Nafion is a solution in which a predetermined amount of polymer is dispersed in a solution in which water and ethanol are mixed in equal amounts. In this example, the polymer concentration is
5 wt% is used. The production of the catalyst layer on the cathode electrode side will be described. In forming the catalyst layer, first, a dispersion solution containing a predetermined amount of raw materials is prepared. For the catalyst layer 43, 160 mg of carbon black supporting platinum with a weight ratio of 20% and a weight ratio of 5 were used.
158 with 5% PTFE dispersion solution (TEFLON FEP120-J)
mg was prepared, and this was mixed with 40 ml of pure water and 40 ml of isopropanol and dispersed using an ultrasonic cleaner. The PTFE dispersion solution contains 54 to 55% by weight of PTFE having a particle size of about 0.2 μm and is stably dispersed together with a predetermined amount of surfactant. Next, the catalyst layer 43 was formed by spraying the dispersion solution for the catalyst layer prepared above onto the surface of the diffusion layer of the semi-finished product on which the diffusion layer was formed, using a spray.
【００１５】そして、上記拡散層形成の場合と同様に、
窒素雰囲気の電気炉中でＰＴＦＥのガラス転移温度付近
（約３００〜３５０℃）でＰＴＦＥの焼結処理を約１時
間かけて行った。次に触媒層４３が表面に形成された拡
散層−カーボンクロス接合体に白金担持カーボン複合材
料を原料とするスパッタリングを施すことによってスパ
ッタ薄膜を形成した。スパッタリングは低圧アルゴン雰
囲気中（２．７Ｐａ）で行い、加速電圧は、１．８ｋ
Ｖ、プレート電流は、８０ｍＡであった。この場合堆積
速度は０．３μｇ／ｃｍ2 ／ｓであった。最終的にスパ
ッタ薄膜中のスパッタ白金量は、０．０５ｍｇ／ｃｍ2
であった。なおスパッタ薄膜中のカーボン量は白金と原
子数比でほぼ同量であった。次に上記のようにして形成
したカーボンクロス４１、このカーボンクロス上の拡散
層４２、拡散層上の触媒層４３からなる固体高分子電解
質膜電極接合体半製品のスパッタ薄膜の表面上から上記
の高分子電解質溶液Nafionを塗布した。本例では、Nafi
onを適当なブラシに浸漬してNafionを含ませてスパッタ
薄膜４３１の表面に塗布した。塗布量は約０．６ｍｇ／
ｃｍ2 であった。Then, as in the case of forming the diffusion layer,
Sintering of PTFE was performed in the vicinity of the glass transition temperature of PTFE (about 300 to 350 ° C.) in an electric furnace in a nitrogen atmosphere for about 1 hour. Next, the diffusion layer-carbon cloth bonded body having the catalyst layer 43 formed on the surface was subjected to sputtering using a platinum-supporting carbon composite material as a raw material to form a sputtered thin film. Sputtering was performed in a low pressure argon atmosphere (2.7 Pa), and the acceleration voltage was 1.8 k.
The V and plate currents were 80 mA. In this case, the deposition rate was 0.3 μg / cm 2 / s. Finally, the amount of sputtered platinum in the sputtered thin film was 0.05 mg / cm 2.
Met. The amount of carbon in the sputtered thin film was almost the same as that of platinum in terms of atomic number ratio. Next, from the surface of the sputtered thin film of the solid polymer electrolyte membrane electrode assembly semi-finished product consisting of the carbon cloth 41 formed as described above, the diffusion layer 42 on this carbon cloth, and the catalyst layer 43 on the diffusion layer, The polyelectrolyte solution Nafion was applied. In this example, Nafi
On was dipped in an appropriate brush to contain Nafion and applied on the surface of the sputtered thin film 431. Coating amount is about 0.6 mg /
cm 2 .
【００１６】（アノード電極側）本例のアノード電極側
の触媒層は触媒密度を均一とした単一層から構成されて
いる。そして、上記のカーボンブラック（Vulcan XC-7
2）に白金を担持したもの（２０％Ｐｔ／Ｃ、平均白金
粒径２．５ｎｍ）を０．４ｍｇ／ｃｍ2 となるように触
媒層を上記カソード側の触媒層を形成する手法と同じ要
領で、分散液の拡散層表面への吹きつけおよびその後の
ＰＴＦＥの焼結処理を行なうことによって形成した。こ
の場合、カーボンブラックの量は、触媒層、拡散層あわ
せて約４．０ｍｇ／ｃｍ2 程度となるように調製した。
そしてアノード側電極接合体全体として約０．３５ｍｍ
程度とした。電解質膜 固体高分子電解質膜は、無孔性の高分子材料であって、
フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦ
Ｅという））から構成することができる。本例の電解質
膜は、旭化成（株）から提供される商品名: Aciplex-S
(1004) である。その厚さは、約２〜６ｍｉｌ（約５０
〜１５０μｍ）程度である。この化学構造は、図４に示
す通りである。上記したように固体高分子型燃料電池に
おける基本的な動作によれば、アノード電極で燃料ガス
である水素から電子が奪われる反応が生じ、これによっ
て電子と水素イオン（プロトンＨ+ ）が発生し、電子は
負荷を通り、一方プロトンＨ+は、電解質膜中を伝導し
てカソード電極に到達する。カソード電極において、プ
ロトンＨ+ は、酸素の反応することによって反応水を生
成する。すなわち、電解質膜は上記の基本動作から明ら
かなようにプロトンＨ+ をカソード側に伝導する役割を
果たすとともに、未反応水素ガスが分子状態でカソード
側に進入することを防止する役割を持つものである。な
おプロトンＨ+ が電解質膜中をカソード側に向かって移
動する場合には水分子を伴って移動するので、電解質膜
は、このための水分子を保有する水分子保有機能も有し
ていなければならない。また、イオン伝導体基（本例で
はスルホン酸基）を有する電解質膜では単位重量当たり
のスルホン酸基の重量の比すなわちスルホン酸基当量
は、約５００〜１５００（ｇ／ｅｑ）でことが好まし
い。電解質膜は、（１）プロトンＨ+ の伝導機能、
（２）アノードガス通路の水素ガスとカソードガス通路
の酸素ガス（空気）とを隔離するためのセパレーション
機能、および（３）所定の保水機能を有する必要がある
この条件を満たすものであれば、任意のものを使用する
ことができる。電解質膜のアノード側にはアノード側触
媒層、カソード側にはカソード側触媒層が形成される。(Anode Electrode Side) The catalyst layer on the anode electrode side in this example is composed of a single layer having a uniform catalyst density. And the above carbon black (Vulcan XC-7
2) Platinum supported (20% Pt / C, average platinum particle size 2.5 nm) is the same as the method for forming the catalyst layer on the cathode side so that the catalyst layer is 0.4 mg / cm 2. Then, it was formed by spraying the dispersion liquid onto the surface of the diffusion layer and subsequent sintering treatment of PTFE. In this case, the amount of carbon black was adjusted to about 4.0 mg / cm 2 for both the catalyst layer and the diffusion layer.
And about 0.35mm as a whole anode side electrode assembly
Degree. The electrolyte membrane solid polymer electrolyte membrane is a non-porous polymer material,
Fluorine resin (polytetrafluoroethylene (hereinafter PTF
E))). The electrolyte membrane of this example is a product name provided by Asahi Kasei Corporation: Aciplex-S
It is (1004). Its thickness is about 2-6 mils (about 50
About 150 μm). The chemical structure is as shown in FIG. As described above, according to the basic operation of the polymer electrolyte fuel cell, a reaction occurs in which electrons are deprived from hydrogen, which is the fuel gas, at the anode electrode, which generates electrons and hydrogen ions (protons H + ). , The electrons pass through the load, while the proton H + conducts in the electrolyte membrane and reaches the cathode electrode. At the cathode electrode, the proton H + produces reaction water by reacting with oxygen. That is, the electrolyte membrane has a role of conducting the proton H + to the cathode side, as well as a role of preventing unreacted hydrogen gas from entering the cathode side in a molecular state, as is clear from the above basic operation. is there. When the proton H + moves in the electrolyte membrane toward the cathode side, it moves along with water molecules. Therefore, the electrolyte membrane must also have a water molecule holding function for holding water molecules for this purpose. I won't. Further, in the electrolyte membrane having an ionic conductor group (a sulfonic acid group in this example), the ratio of the weight of the sulfonic acid group per unit weight, that is, the sulfonic acid group equivalent is preferably about 500 to 1500 (g / eq). . The electrolyte membrane has (1) a proton H + conduction function,
(2) As long as this condition is satisfied, which has a separation function for separating hydrogen gas in the anode gas passage and oxygen gas (air) in the cathode gas passage, and (3) a predetermined water retention function, Any one can be used. An anode catalyst layer is formed on the anode side and a cathode catalyst layer is formed on the cathode side of the electrolyte membrane.
【００１７】電極接合体の形成 上記のようにしてアノード側電極接合体およびカソード
側電極接合体を構成した後、カソード側電極接合体およ
びアノード側電極接合体をそれぞれ触媒層側が対面する
姿勢で向き合わせ、その間に固体高分子電解質膜を挟ん
で接合した。そして、固体高分子電解質膜を挟んでプレ
ス治具を用いて固定し、約１５５℃の温度で電極接合体
の単位面積当たり約２５ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力でホット
プレスすることにより固体高分子電解質膜電極接合体を
製造した。 （比較例にかかる固体高分子電解質膜電極接合体）比較
例の構成では、カソード側電極もアノード側電極と同様
に単一の触媒層から構成した。触媒層を形成するために
実施例と同様に分散溶液を調製した。この場合、白金担
持カーボンブラック（Vulcan XC-72）は白金重量比Ｐｔ
／Ｃ２０パーセントを１６０ｍｇ、ＰＴＦＥ分散溶液
（FEP120-J) １５８ｍｇを用いて上記と同様に分散液を
調製し、スプレーによる吹きつけによって触媒層を形成
した。なお、吹きつけによる分散液の付着率は吹きつけ
量の１５〜２０％である。その後同様に焼結処理を行な
った。他の構成は、実施例と同じである。このようにし
て形成した実施例および比較例にかかる固体高分子電解
質膜電極接合体からなる燃料電池による発電の実験を行
った。本発明の実施例にかかる燃料電池では、比較例に
かかるものに比して発生電圧に関し、５００ｍＡ／ｃｍ
2 において約５０ｍＶ程度高くなることが判明した。こ
のことは、燃料電池の発電効率が約６０％から６５％に
向上することを意味するものである。単一の固体高分子
電解質膜電極接合体からなる燃料電池構成におけるこの
実験結果によれば、多数の積層構造から成る燃料電池に
おいては発電効率の向上は顕著なものとなる。 Formation of Electrode Bonded Body After the anode side electrode bonded body and the cathode side electrode bonded body are constructed as described above, the cathode side electrode bonded body and the anode side electrode bonded body are respectively faced with the catalyst layers facing each other. Then, the solid polymer electrolyte membrane was sandwiched between them and bonded. Then, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched and fixed using a pressing jig, and hot pressed at a temperature of about 155 ° C. and a pressure of about 25 kgf / cm 2 per unit area of the electrode assembly, to thereby obtain a solid polymer electrolyte membrane. An electrode assembly was manufactured. (Solid Polymer Electrolyte Membrane Electrode Assembly According to Comparative Example) In the configuration of the comparative example, the cathode side electrode was also composed of a single catalyst layer similarly to the anode side electrode. A dispersion solution was prepared in the same manner as in the example to form the catalyst layer. In this case, platinum-supported carbon black (Vulcan XC-72) is platinum weight ratio Pt.
A dispersion was prepared in the same manner as above using 160 mg of C / 20% and 158 mg of PTFE dispersion solution (FEP120-J), and the catalyst layer was formed by spraying. In addition, the deposition rate of the dispersion liquid by spraying is 15 to 20% of the spraying amount. After that, the same sintering treatment was performed. Other configurations are the same as those in the embodiment. An experiment of power generation by a fuel cell including the solid polymer electrolyte membrane electrode assemblies according to the examples and comparative examples thus formed was conducted. In the fuel cell according to the example of the present invention, the generated voltage is 500 mA / cm2 as compared with the fuel cell according to the comparative example.
It was found that in No. 2 , it was increased by about 50 mV. This means that the power generation efficiency of the fuel cell is improved from about 60% to 65%. According to the results of this experiment in the fuel cell structure including a single solid polymer electrolyte membrane electrode assembly, the power generation efficiency is remarkably improved in the fuel cell including a large number of laminated structures.
【００１８】なお、本例では、カソード電極側の触媒層
を触媒密度が異なる２層によって構成したが、さらに多
くの密度が異なる層を積層して構成することもできる。
この場合、電解質膜側の触媒密度が高くなるように積層
する。また、本例では、アノード電極は単一の均一な触
媒密度を有する触媒層によって形成したが、かならずし
もこのようにする必要はなく、カソード電極と同様に複
数の触媒密度の異なる層を積層して構成することもでき
る。さらに、本例では、触媒密度の異なる層をそれぞれ
積層することによって、触媒層を構成したが、触媒密度
勾配が電解質膜側から拡散層側に向かって減少するよう
な構成であれば単一の層であってもよい。さらに、触媒
層の製造において、上記のような触媒勾配が得られる手
法であれば、スプレー、ブラシ塗布によらず薄い１０〜
１００μｍ程度の薄い層を形成するために、公知の任意
の手段を用いることができる。Although the catalyst layer on the cathode electrode side is composed of two layers having different catalyst densities in this example, it is also possible to stack more layers having different densities.
In this case, the layers are stacked so that the catalyst density on the electrolyte membrane side is high. Further, in this example, the anode electrode was formed by a single catalyst layer having a uniform catalyst density, but it is not always necessary to do so, and a plurality of layers having different catalyst densities may be laminated in the same manner as the cathode electrode. It can also be configured. Further, in the present example, the catalyst layer was configured by laminating layers having different catalyst densities, but if the configuration is such that the catalyst density gradient decreases from the electrolyte membrane side toward the diffusion layer side, a single catalyst layer is formed. It may be a layer. Further, in the production of the catalyst layer, if it is a method that can obtain the catalyst gradient as described above, it is possible to obtain a thin film thickness of 10 to 10 regardless of spraying and brush coating.
Any known means can be used to form a thin layer of about 100 μm.
【００１９】[0019]
【発明の効果】上記したように、本発明では、固体高分
子電解質膜燃料電池において、簡単な構成でしかも製造
コストを増大させることなく、発電効率の向上を図るこ
とができる。As described above, in the present invention, in the solid polymer electrolyte membrane fuel cell, it is possible to improve the power generation efficiency with a simple structure and without increasing the manufacturing cost.
【図１】本発明の１実施例にかかる固体高分子型燃料電
池の電極接合体の概略断面図、FIG. 1 is a schematic sectional view of an electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention,
【図２】図１の燃料電池の各層の積層状態を示す断面図FIG. 2 is a cross-sectional view showing a stacked state of each layer of the fuel cell of FIG.
【図３】カソード側触媒層の組成を示すグラフ、FIG. 3 is a graph showing the composition of the cathode side catalyst layer,
【図４】イオン伝導体を構成するＰＴＦＥの構造の一例
を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a structure of PTFE constituting an ionic conductor.
１ 燃料電池 ２ 固体高分子電解質膜 ３ アノード電極 ４ カソード電極 ４３、３３ 触媒層 ４３１ スパッタ薄膜 1 Fuel Cell 2 Solid Polymer Electrolyte Membrane 3 Anode Electrode 4 Cathode Electrode 43, 33 Catalyst Layer 431 Sputtered Thin Film
Claims (7)
側触媒電極を設け、他方の側にカソード側触媒電極を設
けた固体高分子型燃料電池において、 前記カソード側触媒電極における酸素還元反応触媒層の
固体高分子電解質膜界面側に触媒物質を含有する物質移
動可能な薄膜状態の触媒層を設けたことを特徴とする固
体高分子型燃料電池。1. A solid polymer electrolyte fuel cell in which an anode side catalyst electrode is provided on one side of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode side catalyst electrode is provided on the other side, wherein an oxygen reduction reaction at the cathode side catalyst electrode is provided. A solid polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer in the form of a thin film containing a catalyst substance capable of mass transfer provided on the interface side of the solid polymer electrolyte membrane of the catalyst layer.
の厚さが１μｍ以下であることを特徴とする固体高分子
型燃料電池。2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer in the thin film state has a thickness of 1 μm or less.
が直流もしくは交流スパッタリングによって形成された
白金含有スパッタ薄膜触媒層であることを特徴とする固
体高分子型燃料電池。3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer in a thin film state is a platinum-containing sputtered thin film catalyst layer formed by DC or AC sputtering.
金含有量は約０．０１ｍｇ／ｃｍ2 以上であることを特
徴とする固体高分子型燃料電池。4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the platinum content in the catalyst layer is about 0.01 mg / cm 2 or more.
金含有量は触媒担持体であるカーボンブラックに対して
１０〜６０重量％の範囲であることを特徴とする燃料電
池の電極構造。5. The electrode structure for a fuel cell according to claim 1, wherein the platinum content in the catalyst layer is in the range of 10 to 60% by weight with respect to the carbon black as the catalyst carrier.
水性材料からなる複合材料を直流スパッタリングあるい
は交流スパッタリングにより形成した複合スパッタ薄膜
から構成されていることを特徴とする燃料電池の電極構
造。6. The electrode structure for a fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer is composed of a composite sputtered thin film formed by DC sputtering or AC sputtering of a composite material of platinum and a hydrophilic material. .
ッタリングもしくは高周波スパッタリングによって形成
された白金含有合金スパッタ薄膜であることを特徴とす
る燃料電池の電極構造。7. The electrode structure of a fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer is a platinum-containing alloy sputtered thin film formed by direct current sputtering or high frequency sputtering.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
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