JP2008130394A - Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell - Google Patents

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貴子 金子
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent or restrain degradation of a solid polymer electrolyte membrane. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly for a fuel cell is provided with a membrane deterioration preventing layer containing either a catalyst with precious metal with a particle diameter of 5 nm or more and less than 20 nm as a catalyst ingredient or a catalyst having precious metal by 10 μg/cm<SP>2</SP>or more and 62 μg/cm<SP>2</SP>or less, and the fuel cell uses the same. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用膜電極接合体および燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell.

固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体は、一般に、酸化剤極触媒層と酸化剤電極基材とからなる酸化剤電極、固体高分子電解質膜、燃料極触媒層と燃料電極基材とからなる燃料電極がホットプレス法により加熱加圧して接合されて作製される。そして、膜電極接合体は、セパレータにより両側から挟持される。   Membrane electrode assemblies used in polymer electrolyte fuel cells generally include an oxidant electrode comprising a oxidant electrode catalyst layer and an oxidant electrode substrate, a solid polymer electrolyte membrane, a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode substrate. The fuel electrode is made by joining by heating and pressing by a hot press method. The membrane electrode assembly is sandwiched from both sides by the separator.

この膜電極接合体に面するセパレータの面には、流路溝がほぼ全面にわたって蛇行するように設けられる。この流路溝を通過して、酸化剤と燃料とがそれぞれ酸化剤電極と燃料電極とに供給される。通常、酸化剤としては空気または高濃度酸素が、燃料としては水素が用いられる。   On the surface of the separator facing the membrane electrode assembly, the flow channel is provided so as to meander over substantially the entire surface. The oxidant and the fuel are supplied to the oxidant electrode and the fuel electrode, respectively, through the channel groove. Usually, air or high-concentration oxygen is used as the oxidizer, and hydrogen is used as the fuel.

酸素または水素は固体高分子電解質膜を多少なりとも通過し、対極に達して反応しセル電圧を大きく低下させたり、反応ガスを無駄に使ってしまったりすることが起こる。対極に達して反応すると過酸化水素またはOHラジカルなどの活性種が生成され、それが固体高分子電解質膜を劣化し、燃料電池の寿命が極端に短くなるという問題がある。   Oxygen or hydrogen passes through the solid polymer electrolyte membrane more or less, reaches the counter electrode, reacts, and greatly reduces the cell voltage or wastes the reaction gas. When it reaches the counter electrode and reacts, active species such as hydrogen peroxide or OH radicals are generated, which degrades the solid polymer electrolyte membrane, resulting in a problem that the life of the fuel cell is extremely shortened.

そこで、かかる問題点を解消するため、貴金属微粒子を担持する金属酸化物粒子または貴金属微粒子を担持するカーボン粒子を含むクロスオーバー防止層を、固体高分子電解質層間に挟持した膜電極接合体が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   In order to solve such problems, a membrane electrode assembly in which a crossover prevention layer containing metal oxide particles supporting noble metal particles or carbon particles supporting noble metal particles is sandwiched between solid polymer electrolyte layers has been proposed. (For example, refer to Patent Document 1).

かかるクロスオーバー防止層は、クロスオーバーをある程度防止することはできたが更なる改良が望まれている。
特開2005−285356
Although such a crossover prevention layer was able to prevent crossover to some extent, further improvement is desired.
JP-A-2005-285356

本発明の目的は、固体高分子電解質膜の劣化を防止または抑制することにある。   An object of the present invention is to prevent or suppress deterioration of a solid polymer electrolyte membrane.

本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料電極および酸化剤電極とから構成される燃料電池用膜電極接合体において、前記固体高分子電解質膜内に、前記燃料電極または酸化剤電極に沿って配置されてなる粒子径が5nm以上20nm未満の貴金属を触媒成分とする触媒を含む膜劣化防止層を有することを特徴とする膜電極接合体、に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxidizer electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane from both sides. The present invention also relates to a membrane electrode assembly comprising a membrane deterioration preventing layer including a catalyst having a noble metal having a particle diameter of 5 nm or more and less than 20 nm arranged along the fuel electrode or oxidant electrode as a catalyst component.

また本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料電極および酸化剤電極とから構成される燃料電池用膜電極接合体において、前記固体高分子電解質膜内に、前記燃料電極または酸化剤電極に沿って配置されてなる貴金属が10μg/cm以上62μg/cm以下にある触媒を含む膜劣化防止層を有することを特徴とする膜電極接合体、に関する。 The present invention also provides a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidizer electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane from both sides. a membrane electrode assembly in which the fuel electrode or becomes arranged along the oxidant electrode noble metal and having a membrane deterioration preventing layer comprising a catalyst in the following 10 [mu] g / cm 2 or more 62μg / cm 2, about .

さらに本発明は、前記膜電極接合体を用いた燃料電池、に関する。   Furthermore, the present invention relates to a fuel cell using the membrane electrode assembly.

本発明の膜電極接合体によれば、固体高分子電解質膜内における過酸化水素の発生を抑制または防止することによって、膜電極接合体の耐久性を向上させることができる。   According to the membrane / electrode assembly of the present invention, the durability of the membrane / electrode assembly can be improved by suppressing or preventing the generation of hydrogen peroxide in the solid polymer electrolyte membrane.

また、本発明の燃料電池によれば、固体高分子電解質膜の劣化が抑制または防止されていることから、燃料電池の高い耐久性を示すことができる。   Moreover, according to the fuel cell of the present invention, since the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane is suppressed or prevented, the high durability of the fuel cell can be exhibited.

本発明の膜劣化防止層について、図面を用いて説明する。   The film deterioration preventing layer of the present invention will be described with reference to the drawings.

従来、燃料電池の作動時に、酸化剤電極などに使われている白金触媒から白金が固体高分子電解質膜内に溶出し、それによって該膜内に過酸化水素が発生し、その周辺部の該膜を破壊する虞があった。その結果、電池性能が低下することが報告されている。   Conventionally, when a fuel cell is operated, platinum is eluted from a platinum catalyst used for an oxidant electrode or the like into a solid polymer electrolyte membrane, thereby generating hydrogen peroxide in the membrane, and There was a risk of breaking the membrane. As a result, it has been reported that battery performance decreases.

それに対し、本発明では、固体高分子電解質膜内に、特定の触媒を含む膜劣化防止層を設けることを案出した。   On the other hand, in the present invention, it has been devised to provide a membrane deterioration preventing layer containing a specific catalyst in the solid polymer electrolyte membrane.

図1は本発明の膜電極接合体(MEA)に用いられる膜劣化防止層について説明する図面である。   FIG. 1 is a drawing for explaining a film deterioration preventing layer used in a membrane electrode assembly (MEA) of the present invention.

図1において、酸化剤電極11から固体高分子電解質膜A内に溶出したPtn+は、膜劣化防止層12で捕捉される。ここで、酸化剤極触媒層は、白金の微粒子を担持するカーボン粒子からなる。また、酸化剤電極11及び燃料電極13から固体高分子電解質膜内に漏出した酸素と水素が反応して発生した過酸化水素は、分解することが容易ではないが、本発明の膜劣化防止層12を構成する触媒を用いることにより、分解することができる。ここで、燃料極触媒層は、白金の微粒子を担持するカーボン粒子からなる。 In FIG. 1, Pt n + eluted from the oxidant electrode 11 into the solid polymer electrolyte membrane A is captured by the membrane deterioration preventing layer 12. Here, the oxidant electrode catalyst layer is made of carbon particles carrying platinum fine particles. Further, hydrogen peroxide generated by the reaction of oxygen and hydrogen leaked from the oxidant electrode 11 and the fuel electrode 13 into the solid polymer electrolyte membrane is not easily decomposed, but the membrane deterioration preventing layer of the present invention. 12 can be used for decomposition. Here, the fuel electrode catalyst layer is made of carbon particles carrying platinum fine particles.

図2は膜劣化防止層に用いられる白金触媒の白金の粒子径または密度と過酸化水素の分解との関係を説明する図面である。   FIG. 2 is a view for explaining the relationship between the particle diameter or density of platinum of the platinum catalyst used in the film deterioration preventing layer and the decomposition of hydrogen peroxide.

図2(a)において、白金21aの担持量が少ないと過酸化水素は水に還元されにくい。図2(b)において、カーボン粒子22に担持された白金21bの粒子サイズが大きくなり、白金の単位面積当りの担持量が最適化されると過酸化水素は水に還元され易い。図2(c)において、カーボン粒子22に担持された白金21cの粒子サイズが小さくなり、白金の単位面積当りの担持量が大きすぎると過酸化水素は、物理的に動きが阻害されるなどの要因で水に還元されにくい。   In FIG. 2A, when the amount of platinum 21a supported is small, hydrogen peroxide is difficult to be reduced to water. In FIG. 2B, when the particle size of platinum 21b supported on the carbon particles 22 is increased and the amount of platinum supported per unit area is optimized, hydrogen peroxide is easily reduced to water. In FIG. 2C, the particle size of the platinum 21c supported on the carbon particles 22 becomes small, and if the amount of platinum supported per unit area is too large, hydrogen peroxide is physically inhibited from moving. It is difficult to reduce to water due to factors.

このように、膜劣化防止層を構成する触媒は、特定の粒子サイズの貴金属を含むことが必要であり、または、単位面積当たり所定量の貴金属を含む触媒を含むことが必要であることがわかる。   Thus, it can be seen that the catalyst constituting the film deterioration preventing layer needs to contain a noble metal having a specific particle size or a catalyst containing a predetermined amount of noble metal per unit area. .

次に、膜劣化防止層についてより詳細に説明する。   Next, the film deterioration preventing layer will be described in more detail.

(膜劣化防止層)
本発明の燃料電池用膜電極接合体に用いられる固体高分子電解質膜の膜劣化防止層(クロスオーバー層ともいう)は、粒子径が5nm以上20nm未満の貴金属を触媒成分とする触媒を含む。電極から固体高分子電解質膜内に溶出した貴金属を捕捉できるため、過酸化水素の発生を抑制または防止できる。粒子径(直径)は5nm以上とすることにより、酸素1分子が4電子反応するための充分な広さを提供できる。これにより酸素から水への4電子反応が速やかに進み、過酸化水素が発生した場合にも、水に速やかに還元される。このようにして、過酸化水素の発生に基づく固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。20nmを超えると酸素活性が低くなってしまうからである。
(Membrane degradation prevention layer)
The membrane deterioration preventing layer (also referred to as a crossover layer) of the solid polymer electrolyte membrane used for the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention contains a catalyst having a noble metal having a particle diameter of 5 nm or more and less than 20 nm as a catalyst component. Since the precious metal eluted from the electrode into the solid polymer electrolyte membrane can be captured, the generation of hydrogen peroxide can be suppressed or prevented. By setting the particle diameter (diameter) to 5 nm or more, it is possible to provide a sufficient area for one molecule of oxygen to undergo a four-electron reaction. As a result, the four-electron reaction from oxygen to water proceeds rapidly, and even when hydrogen peroxide is generated, it is rapidly reduced to water. In this way, deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on the generation of hydrogen peroxide can be prevented. It is because oxygen activity will become low when it exceeds 20 nm.

また、本発明の燃料電池用膜電極接合体に用いられる固体高分子電解質膜の膜劣化防止層は、貴金属が10μg/cm以上62μg/cm以下である触媒を含む。表面積は、触媒の利用率と分散性を示す。高い利用率により4電子反応が進む。高い分散性により過酸化水素ができた場合、速やかに反応場に動ける広さを提供できる。 Also, membrane deterioration preventing layer of the solid polymer electrolyte membrane used for a fuel cell membrane electrode assembly of the present invention includes a catalytic noble metal is at 62μg / cm 2 or less 10 [mu] g / cm 2 or more. The surface area indicates the utilization rate and dispersibility of the catalyst. The four-electron reaction proceeds with high utilization. When hydrogen peroxide is produced due to high dispersibility, it is possible to provide an area that can quickly move to the reaction field.

前記触媒は、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウムまたはこれらの混合物を含む触媒であることが好ましい。なかでも、白金触媒または白金−ルテニウム触媒がより好ましい。また、白金、ルテニウムなどの触媒金属は、カーボンなどの担体に担持されていることが好ましい。   The catalyst is preferably a catalyst containing platinum, ruthenium, iridium, palladium or a mixture thereof. Among these, a platinum catalyst or a platinum-ruthenium catalyst is more preferable. Further, the catalyst metal such as platinum or ruthenium is preferably supported on a carrier such as carbon.

前記触媒は、30μg−Pt/cm以上62μg−Pt/cm以下の白金を含むことが好ましい。白金の担持量は、30μg−Pt/cm以上担持することにより、過酸化水素の発生の抑制および水への酸化を加速することができる。より少ない白金量で効果を得ることができる。 The catalyst preferably contains 30μg-Pt / cm 2 or more 62μg-Pt / cm 2 or less platinum. The amount of platinum supported is 30 μg-Pt / cm 2 or more, thereby suppressing the generation of hydrogen peroxide and accelerating the oxidation to water. The effect can be obtained with a smaller amount of platinum.

前記触媒は、電気化学的に活性な触媒表面積がガス吸着により評価された触媒表面積の70%以上であることが好ましい。ここで、通常、ガス吸着方法が白金などのPt担持触媒の100%の表面積を示すとする。   The catalyst preferably has an electrochemically active catalyst surface area of 70% or more of the catalyst surface area evaluated by gas adsorption. Here, it is assumed that the gas adsorption method usually shows 100% surface area of a Pt-supported catalyst such as platinum.

電気化学測定を行う際には、触媒インクの調製方法に不具合により触媒やアイオノマーの凝集により、触媒が本来利用されるべき部分が失われることがあり、これにより活性の低下や過酸化水素の発生が上昇することがある。   When performing electrochemical measurements, due to a failure in the catalyst ink preparation method, the catalyst or ionomer may be agglomerated, so that the part where the catalyst should originally be used may be lost. May rise.

また、水溶液中では反応物であるプロトンや酸素が妨害されやすい。しかし、触媒インクの調製方法により触媒の分散性をよくすることでこの問題は解消できる。この許容範囲としては、70%の触媒が利用される状況を最低物性値とする。   In addition, in the aqueous solution, reactants such as protons and oxygen are easily disturbed. However, this problem can be solved by improving the dispersibility of the catalyst by the preparation method of the catalyst ink. As this allowable range, the situation where 70% of the catalyst is used is set as the minimum physical property value.

表面積は、触媒の利用率と分散性を示す。高い利用率により、4電子反応が進む。また、高い分散性により過酸化水素ができた場合に、速やかに反応場に動ける広さを提供できる。すなわち、固体電解質膜の劣化を防止することができる。   The surface area indicates the utilization rate and dispersibility of the catalyst. Due to the high utilization rate, the four-electron reaction proceeds. In addition, when hydrogen peroxide is produced due to high dispersibility, it is possible to provide an area that can quickly move to the reaction field. That is, deterioration of the solid electrolyte membrane can be prevented.

なお、ガス吸着法は次の方法により行う。   The gas adsorption method is performed by the following method.

<カーボン担体上のPtの表面積の測定方法>
測定装置は、マイクロメリテックス社のパルス ケミソーブ2700(Pulse Chemisorb 2700)を用いた。
<Measurement method of Pt surface area on carbon support>
As a measuring device, Pulse Chemisorb 2700 (Pulse Chemisorb 2700) manufactured by Micromeritex Corporation was used.

1.試料を減圧オーブン中50℃で一晩乾燥する。2.乾燥後、デシケーター内で室温まで冷却する。3.U字型チューブに入れたサンプル(100mg程度)に対して室温のヘリウムで10分間パージする。4.ヘリウム流通下、80℃まで30分で昇温する。5.流通ガスを水素に切り換えて、試料温度80℃で10分間保持する。6.流通ガスを窒素に切り換えて、試料温度30℃まで30分で降温する。7.この温度を維持し、計測器固有の操作でCO吸着量の測定を行う。得られた値を100%とする。   1. The sample is dried in a vacuum oven at 50 ° C. overnight. 2. After drying, cool to room temperature in a desiccator. 3. Purge the sample (about 100 mg) in a U-shaped tube with helium at room temperature for 10 minutes. 4). The temperature is raised to 80 ° C. in 30 minutes under a helium flow. 5. The flow gas is switched to hydrogen and held at a sample temperature of 80 ° C. for 10 minutes. 6). The circulating gas is switched to nitrogen, and the temperature is lowered to 30 ° C. in 30 minutes. 7. This temperature is maintained, and the CO adsorption amount is measured by an operation unique to the measuring instrument. The value obtained is taken as 100%.

前記膜劣化防止層の厚みは、0.01〜1μm、より好ましくは0.5〜1μmの範囲にあることが望ましい。この範囲において、固体高分子電解質膜の劣化は防止されるとともに、プロトン伝導を妨げることもないのである。   The thickness of the film deterioration preventing layer is preferably 0.01 to 1 μm, more preferably 0.5 to 1 μm. Within this range, deterioration of the solid polymer electrolyte membrane is prevented and proton conduction is not hindered.

かかる膜劣化防止層は、固体高分子電解質膜の劣化を防止できる上に、過酸化水素の発生を抑制または防止することができる。   Such a membrane deterioration preventing layer can prevent deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and can suppress or prevent the generation of hydrogen peroxide.

(膜劣化防止層の製造方法)
膜劣化防止層の製造方法の一例について説明する。
(Manufacturing method of film deterioration preventing layer)
An example of a method for producing the film deterioration preventing layer will be described.

触媒と、水と、イソプロピルアルコールを所定比率(質量)、例えば5:3:2〜5:4:1の範囲で調製し、超音波で少なくとも30分攪拌して、膜劣化防止層用のインクを作製する。ここで、触媒とは、触媒金属の粒子径を前記の大きさとした以外は、燃料電池の触媒層に用いられる触媒と同じ物を用いることができる。具体例として、白金担持カーボンを挙げることができる。   A catalyst, water, and isopropyl alcohol are prepared in a predetermined ratio (mass), for example, in a range of 5: 3: 2 to 5: 4: 1, and stirred for at least 30 minutes with an ultrasonic wave to form an ink for a film deterioration preventing layer. Is made. Here, the same catalyst as the catalyst used for the catalyst layer of the fuel cell can be used as the catalyst except that the particle diameter of the catalyst metal is the above-mentioned size. Specific examples include platinum-supported carbon.

得られたインクの一部を、カーボン電極上に滴下してCV(サイクリック・ボルタンメトリー)を測定する。ECA(電気化学反応エリア)がBETなどで評価した表面積の80〜100%を示すようにする。   A part of the obtained ink is dropped on a carbon electrode, and CV (cyclic voltammetry) is measured. ECA (electrochemical reaction area) should be 80 to 100% of the surface area evaluated by BET or the like.

得られたインクをテフロン(登録商標)シート上に転写して転写シートAを得る。厚みは、通常、前記範囲とする。   The obtained ink is transferred onto a Teflon (registered trademark) sheet to obtain a transfer sheet A. The thickness is usually in the above range.

このようにして、膜劣化防止層を製造することができる。   In this way, a film deterioration preventing layer can be manufactured.

(MEA)
固体高分子形燃料電池に用いられるMEAは、酸化剤極触媒層と酸化剤電極基材とからなる酸化剤電極;固体高分子電解質膜;前記固体高分子電解質膜内に、燃料電極または酸化剤電極に沿って配置されてなる粒子径が5nm以上20nm未満の貴金属を触媒成分とする触媒、または貴金属が10μg/cm以上62μg/cm以下にある触媒を含む、前記固体高分子電解質膜の膜劣化防止層;燃料極触媒層と燃料電極基材とからなる燃料電極がホットプレス法により加熱加圧して接合されて作製される。
(MEA)
The MEA used in the polymer electrolyte fuel cell includes an oxidant electrode composed of an oxidant electrode catalyst layer and an oxidant electrode substrate; a solid polymer electrolyte membrane; a fuel electrode or an oxidant in the solid polymer electrolyte membrane. containing a catalyst with a noble metal of less than the particle diameter of 5nm or more 20nm consisting disposed along the electrode catalyst as a catalyst component or a noble metal is below 10 [mu] g / cm 2 or more 62μg / cm 2,, of the solid polymer electrolyte membrane Film degradation prevention layer: A fuel electrode composed of a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode base material is joined by heating and pressurizing by a hot press method.

前記膜劣化防止層は、一対の固体高分子電解質膜で挟持されている。したがって、固体高分子電解質中を対極に向かって進む酸素または水素の進行を阻止できる長さであれば特に制限されないが、該固体高分子電解質膜の一端から他端までの長さを備えることが好ましい。   The film deterioration preventing layer is sandwiched between a pair of solid polymer electrolyte membranes. Accordingly, the length is not particularly limited as long as it can prevent the progress of oxygen or hydrogen traveling in the solid polymer electrolyte toward the counter electrode, but it may have a length from one end to the other end of the solid polymer electrolyte membrane. preferable.

一対の固体高分子電解質膜は、もちろん、同一のものでも、異質のものでもよい。   Of course, the pair of solid polymer electrolyte membranes may be the same or different.

同一の固体高分子電解質膜を用いる場合に、膜劣化防止層の位置は、該膜の中央より酸化剤電極側にあることが好ましい。特に、A膜(酸化剤電極側の固体高分子電解質膜)とB膜(燃料電極側の固体高分子電解質膜)の厚みの比率は、1:100〜1:2.5の範囲にあることが好ましい。このような配置とすることにより、効率的に固体高分子電解質膜内に溶解した触媒金属を捕捉し、発生する過酸化水素の発生を効率的に防止することができる。さらに、燃料極から固体高分子電解質膜に漏出した水素を捕捉することもできる。   When the same solid polymer electrolyte membrane is used, the membrane degradation preventing layer is preferably located closer to the oxidizer electrode than the center of the membrane. In particular, the thickness ratio of the A membrane (solid polymer electrolyte membrane on the oxidizer electrode side) and B membrane (solid polymer electrolyte membrane on the fuel electrode side) is in the range of 1: 100 to 1: 2.5. Is preferred. By adopting such an arrangement, it is possible to efficiently capture the catalytic metal dissolved in the solid polymer electrolyte membrane and efficiently prevent the generation of generated hydrogen peroxide. Furthermore, hydrogen leaked from the fuel electrode to the solid polymer electrolyte membrane can be captured.

A膜およびB膜が異なる場合、たとえばA膜に水素透過率10−11〜10−10モル/cm・s・atm、B膜に水素透過率10−12モル/cm・s・atm以下の高分子膜を使用する場合には、膜劣化防止層を設置する位置は膜中央よりも燃料極側であることが好ましい。この場合、特に、A膜とB膜の厚みの比率は、100:1〜10:5の範囲とすることが望ましい。 When the A film and the B film are different, for example, the hydrogen permeability is 10 −11 to 10 −10 mol / cm · s · atm for the A film, and the hydrogen permeability is 10 −12 mol / cm · s · atm or less for the B film. In the case of using a molecular film, it is preferable that the position where the film deterioration preventing layer is installed is closer to the fuel electrode than the center of the film. In this case, in particular, the ratio of the thicknesses of the A film and the B film is preferably in the range of 100: 1 to 10: 5.

また、A膜に水素透過率10−12モル/cm・s・atm以下、B膜に水素透過率10−11〜10−10モル/cm・s・atmの高分子膜を使用する場合に、膜劣化防止層を設置する位置は膜中央よりも燃料極側であることが好ましく、特に、A膜とB膜の厚みの比率は、1:100〜5:10の範囲とすることが望ましい。 Further, when using a polymer membrane having a hydrogen permeability of 10 −12 mol / cm · s · atm or less for the A film and a hydrogen permeability of 10 −11 to 10 −10 mol / cm · s · atm for the B film, The position where the film deterioration preventing layer is installed is preferably closer to the fuel electrode than the center of the film. In particular, the ratio of the thicknesses of the A film and the B film is preferably in the range of 1: 100 to 5:10.

このような配置とすることにより、効率的に固体高分子電解質膜内に溶解した触媒金属を捕捉し、発生する過酸化水素の発生を効率的に防止することができる。さらに、燃料極から固体高分子電解質膜に漏出した水素を捕捉することもできる。   By adopting such an arrangement, it is possible to efficiently capture the catalytic metal dissolved in the solid polymer electrolyte membrane and efficiently prevent the generation of generated hydrogen peroxide. Furthermore, hydrogen leaked from the fuel electrode to the solid polymer electrolyte membrane can be captured.

その他の材料としては、燃料電池の分野において公知の材料を用いる。例えば、酸化剤極触媒層としては、白金の微粒子を担持するカーボン粒子とナフィオン(デュポン(株)の登録商標)などのパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質から構成されるペーストから作製された酸化剤極触媒層を、酸化剤電極基材としては、カーボンパーパーを、固体高分子電解質膜としては、ナフィオンなどのパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質、ポリイミド系、ポリフェニレン系などの炭化水素系の固体高分子電解質を、燃料極触媒層としては、白金とルテニウムの微粒子を担持するカーボン粒子とナフィオン(デュポン(株)の登録商標)などのパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質から構成されるペーストから作製された燃料極触媒層を、燃料電極基材としては、カーボンペーパーを挙げることができる。   As other materials, materials known in the field of fuel cells are used. For example, as the oxidizer electrode catalyst layer, an oxidation produced from a paste composed of carbon particles supporting fine platinum particles and a perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte such as Nafion (registered trademark of DuPont). The electrode catalyst layer is carbon perper as the oxidant electrode substrate, and the perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte such as Nafion is used as the solid polymer electrolyte membrane, and the hydrocarbon type such as polyimide and polyphenylene is used. The solid polymer electrolyte is a paste composed of carbon particles supporting platinum and ruthenium fine particles and a perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte such as Nafion (registered trademark of DuPont) as the fuel electrode catalyst layer. As the fuel electrode base material, the fuel electrode catalyst layer prepared from .

このように、固体高分子電解質膜内に膜劣化防止層を設けることにより、電極から固体高分子電解質膜に溶出した貴金属を捕捉することができる上に、水素のクロスオーバーを防止または抑制でき、さらに、過酸化水素の発生を抑制または防止するとともに、過酸化水素の酸化を促進することができる。ひいては、固体高分子電解質膜の劣化を抑制または防止することができる。   Thus, by providing a membrane deterioration preventing layer in the solid polymer electrolyte membrane, it is possible to capture noble metal eluted from the electrode to the solid polymer electrolyte membrane, and to prevent or suppress hydrogen crossover, Furthermore, the generation of hydrogen peroxide can be suppressed or prevented, and the oxidation of hydrogen peroxide can be promoted. As a result, deterioration of the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed or prevented.

(MEAの製造方法)
MEAの製造方法の一例について説明する。
(Method for producing MEA)
An example of the MEA manufacturing method will be described.

燃料極触媒層と酸化剤極触媒層の双方をテフロンシート上に作製する。燃料極触媒層上に固体高分子電解質膜を置き、ホットプレスを行ってシートBを得る。酸化剤極触媒層上に固体高分子電解質膜を乗せホットプレスを行ってシートCを得る。シートCの電解質膜上に前記転写シートAをホットプレスによって接合してシートDを得る。さらに、シートBの電解質膜側とシートDの転写シート側をあわせてホットプレスを行う。このようにして、MEAが得られる。   Both the fuel electrode catalyst layer and the oxidant electrode catalyst layer are produced on a Teflon sheet. A solid polymer electrolyte membrane is placed on the fuel electrode catalyst layer, and hot pressing is performed to obtain a sheet B. A sheet C is obtained by placing the solid polymer electrolyte membrane on the oxidant electrode catalyst layer and performing hot pressing. The transfer sheet A is joined on the electrolyte membrane of the sheet C by hot pressing to obtain a sheet D. Further, hot pressing is performed on the electrolyte membrane side of the sheet B and the transfer sheet side of the sheet D together. In this way, MEA is obtained.

もちろん、シートBの電解質膜上に転写シートAをホットプレスによって接合してシートDを得る。さらに、シートCの電解質膜側とシートDの転写シート側をあわせてホットプレスを行ってもよい。   Of course, the sheet D is obtained by bonding the transfer sheet A onto the electrolyte membrane of the sheet B by hot pressing. Further, hot pressing may be performed on the electrolyte membrane side of the sheet C and the transfer sheet side of the sheet D together.

(燃料電池)
そして、前記の方法で得られたMEAは、セパレータにより両側から挟持されて燃料電池とすることができる。このようにして得られた燃料電池は、固体高分子電解質膜の劣化が防止されていることから、高い耐久性を示すことが可能である。高い耐久性を示すことから、車両用の燃料電池として用いることもできる。
(Fuel cell)
The MEA obtained by the above method can be sandwiched from both sides by a separator to form a fuel cell. The fuel cell obtained in this way can exhibit high durability since the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane is prevented. Since it shows high durability, it can also be used as a fuel cell for vehicles.

次に、本発明の実施例を記載するが、本実施例は本発明を限定するものではない。   Next, although the Example of this invention is described, this Example does not limit this invention.

(実施例1:劣化防止層インクスラリーの作製及びPt担持量の影響測定およびH2クロスオーバー量測定)
電極触媒として、白金担持カーボン触媒(Pt担持量:48.6wt%、平均Pt粒子径:5.5nm、担体カーボン:VulcanXC−72(Cabot社製))を用いた。この電極触媒の質量に対して1/2倍量の精製水を加えた後、1/10倍量のイソプロピルアルコールを加え、さらにナフィオン溶液(Aldrich社製 5wt%ナフィオン(デュポン社の登録商標)含有)を加え、ナフィオンの質量が1倍量になるように調整した。混合スラリーを超音波ホモジナイザでよく分散させ、それに続いて減圧脱泡操作を加えることによってスラリーAを作製した。
スラリーAをマイクロピペットで、RRDE電極のGC基盤上に滴下し、滴下量をかえることによりPt担持量を変化させてHの測定を行った。測定条件を表1に示す。
(Example 1: Preparation of deterioration preventing layer ink slurry, measurement of influence of Pt carrying amount and measurement of H2 crossover amount)
As an electrode catalyst, a platinum-supported carbon catalyst (Pt supported amount: 48.6 wt%, average Pt particle size: 5.5 nm, carrier carbon: Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot)) was used. After adding 1/2 times the amount of purified water with respect to the mass of this electrode catalyst, 1/10 times the amount of isopropyl alcohol was added, and Nafion solution (Aldrich 5 wt% Nafion (registered trademark of DuPont) included ) Was added, and the mass of Nafion was adjusted to 1 time. Slurry A was prepared by dispersing the mixed slurry well with an ultrasonic homogenizer, followed by vacuum degassing.
Slurry A was dropped with a micropipette onto the GC substrate of the RRDE electrode, and the amount of Pt supported was changed by changing the amount of dripping to measure H 2 O 2 . Table 1 shows the measurement conditions.

Figure 2008130394
Figure 2008130394

得られた結果を図3、図4に示す。図3において、白金の担持量が30μg−Pt/cm以上で過酸化水素の発生率が抑制されることが認められる。図4において、過酸化水素の発生を抑制できる担持量の依存について、あり、なしについて確認をすることができる。 The obtained results are shown in FIGS. In FIG. 3, it is recognized that the generation rate of hydrogen peroxide is suppressed when the amount of platinum supported is 30 μg-Pt / cm 2 or more. In FIG. 4, it can be confirmed whether there is a dependency on the loading amount that can suppress the generation of hydrogen peroxide.

(平衡電位の測定)
H型セルを用い、セルの中央部にナフィオン膜のみを隔膜としておいた場合と、ナフィオン膜でサンドイッチされたクロスオーバー層を備えた隔膜をおいた場合について測定を行った。
まず、窒素雰囲気中で平衡電位を測定し、その後、片側のセルに水素をバブリングした。測定条件を、表2に示す。
(Measurement of equilibrium potential)
Using an H-type cell, measurement was performed for the case where only the Nafion membrane was used as a diaphragm in the center of the cell and the case where a membrane with a crossover layer sandwiched by Nafion membrane was used.
First, the equilibrium potential was measured in a nitrogen atmosphere, and then hydrogen was bubbled into the cell on one side. Table 2 shows the measurement conditions.

Figure 2008130394
Figure 2008130394

得られた結果を、図5に示す。図5において、ナフィオン膜のみでは、水素の透過により平衡電位が低下したが、クロスオーバー層が存在する場合にはこの低下は見られなかった。   The obtained results are shown in FIG. In FIG. 5, the Nafion membrane alone decreased the equilibrium potential due to hydrogen permeation, but this decrease was not observed when a crossover layer was present.

(比較例1:Pt粒子サイズ系によるH発生の測定)
電極触媒として白金担持カーボン触媒(平均Pt粒子径:3nm−Sample A、Pt担持量:45.6wt%、担体カーボン:VulcanXC−72(Cabot社製))を用い、実施例1と同様の手法を用いて、劣化防止層インクスラリーを作製した。
スラリーA、およびSampleAをマイクロピペットで、RRDE電極のGC基盤上に滴下し、Hの測定をおこなった。測定条件を表3に示す。
(Comparative Example 1: Measurement of H 2 O 2 generation by Pt particle size system)
A platinum-supported carbon catalyst (average Pt particle size: 3 nm-Sample A, Pt-supported amount: 45.6 wt%, carrier carbon: Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot)) was used as the electrode catalyst, and the same method as in Example 1 was used. An anti-degradation layer ink slurry was prepared.
Slurry A and Sample A were dropped with a micropipette onto the GC substrate of the RRDE electrode, and H 2 O 2 was measured. Table 3 shows the measurement conditions.

Figure 2008130394
Figure 2008130394

得られた結果を図6に示す。図6において、リング電流値が経時的に増加することから、Pt粒子径5nm以下で過酸化水素の発生率が上昇することが認められる。   The obtained result is shown in FIG. In FIG. 6, since the ring current value increases with time, it is recognized that the generation rate of hydrogen peroxide increases when the Pt particle diameter is 5 nm or less.

(実施例2:劣化防止層を備えたMEAの作成)
20μmのナフィオン膜上に、実施例1で作製したスラリーAをスクリーン印刷法によって所定のPt担持量になるように印刷し、60℃で3時間乾燥させた。その後、劣化防止層を塗布した面上に、5wt%Nafion溶液を5μmになるまで同手法により印刷した。
なお、触媒劣化防止層の触媒の電気化学による活性表面積は63m/g−Ptであり、CO吸着法による表面積は80m/g−Ptであった。膜劣化防止層の厚みは、1μmであった。膜劣化防止層のPt担持量は40μg/cmであった。
(Example 2: Creation of MEA provided with deterioration preventing layer)
The slurry A produced in Example 1 was printed on a 20 μm Nafion film by a screen printing method so as to have a predetermined Pt carrying amount, and dried at 60 ° C. for 3 hours. Thereafter, a 5 wt% Nafion solution was printed on the surface coated with the deterioration preventing layer by the same method until the thickness became 5 μm.
In addition, the active surface area by the electrochemistry of the catalyst of a catalyst deterioration prevention layer was 63 m < 2 > / g-Pt, and the surface area by CO adsorption method was 80 m < 2 > / g-Pt. The thickness of the film deterioration preventing layer was 1 μm. The amount of Pt supported by the film deterioration preventing layer was 40 μg / cm 2 .

(実施例3及び比較例2;耐久試験結果)
(燃料電池セルの作製)
燃料電池セルの作製については、いずれについても以下のように行った。
Pt担持カーボン(Pt担持量:48.6wt%、平均Pt粒子径:3.5nm、担体カーボン:VulcanXC−72(Cabot社製))の質量に対して5倍量の精製水を加えた後、0.5倍量のイソプロピルアルコールを加え、さらにはナフィオン(デュポン社製、登録商標)の質量が0.8倍量になるようにナフィオン(デュポン社製、登録商標)溶液(Aldrich社製5wt.%ナフィオン(デュポン社製、登録商標)含有)を加えた。混合スラリーを超音波ホモジナイザでよく分散させ、それに続いて減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。
これをテフロンシートの片面にスクリーン印刷法によって所定のPt量になるように触媒スラリーを印刷し、60℃で3時間乾燥させた。その後、触媒層を塗布した面を、実施例2で得られた劣化防止層12を積層してなる電解質膜(実施例1)またはフッ素系電解質膜のみ(比較例2)に合わせて120℃、1.5MPaで10分間ホットプレスを行うことにより、それぞれアノード及びカソード触媒層を取り付けた。このようにして作製した触媒層コート済の電解質膜の触媒層側とカーボン層コート済のカーボンペーパーのカーボン層側を貼り合わせて、実施例4及び比較例2の膜電極接合体(MEA)を作製した。
これらのMEAは、Pt使用量を見かけの電極面積1cmあたりアノードでは0.3mg、カソードでは0.5mgとし、電極面積は25cmとした。また、電解質膜としてナフィオン(デュポン社製、登録商標)112(厚さ:約50μm)を用いた。
得られたMEAを、先に作製したGDLを2枚用いて挟んで重ねた状態とし、これをグラファイト製セパレータで挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。
(Example 3 and Comparative Example 2; endurance test results)
(Production of fuel cell)
About preparation of the fuel battery cell, it performed as follows in all.
After adding 5 times the amount of purified water to the mass of Pt-supported carbon (Pt-supported amount: 48.6 wt%, average Pt particle size: 3.5 nm, carrier carbon: Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot)), A 0.5-fold amount of isopropyl alcohol was added, and a Nafion (DuPont, registered trademark) solution (Aldrich 5 wt. % Nafion (manufactured by DuPont, registered trademark) was added. The mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, followed by addition of a vacuum degassing operation to prepare a catalyst slurry.
The catalyst slurry was printed on one side of the Teflon sheet by a screen printing method so as to have a predetermined Pt amount, and dried at 60 ° C. for 3 hours. Thereafter, the surface coated with the catalyst layer is 120 ° C. according to the electrolyte membrane (Example 1) obtained by laminating the deterioration preventing layer 12 obtained in Example 2 or only the fluorine-based electrolyte membrane (Comparative Example 2). Anode and cathode catalyst layers were attached respectively by hot pressing at 1.5 MPa for 10 minutes. The membrane electrode assembly (MEA) of Example 4 and Comparative Example 2 was bonded by bonding together the catalyst layer side of the electrolyte membrane coated with the catalyst layer thus produced and the carbon layer side of the carbon paper coated with the carbon layer. Produced.
In these MEAs, the amount of Pt used was 0.3 mg for the anode and 0.5 mg for the cathode per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . Further, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) 112 (thickness: about 50 μm) was used as the electrolyte membrane.
The obtained MEA was put in a state where it was sandwiched by using two GDLs prepared earlier, sandwiched between graphite separators, and further sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates. did.

(耐久試験によるセル評価1)
作製したMEAを用いて燃料電池単セル(評価用単セル)を構成し、運転時間に対するセル電圧変化の評価を以下のような方法で行った。
燃料電池のアノード側には燃料として水素を供給し、カソード側には空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、燃料電池本体の温度は70℃に設定し、水素利用率は67%、アノード供給ガス露点は70℃、空気利用率は40%、カソード供給ガス露点は50℃として、電流密度0.2A/cmと1.0A/cmでそれぞれ10分ずつの負荷変動運転したときのセル電圧の変化を調べた。
発電特性結果として、負荷変動運転によるセル電圧の変化を図7に示す。この図7において、セル電圧は負荷変動運転の中で0.2A/cm運転開始からの9〜10分のセル電圧の平均値とした。図7に示すように、劣化防止層12を用いて形成した実施例4の燃料電池セル(単セル)は、劣化防止層12を用いることなく形成した比較例2の燃料電池セルに比して、セル電圧の低下量が著しく減少していることから、高い発電性能(高電位)を長期間安定して保持することができることが確認できた。このことから、本発明の劣化防止層を備えた電池では、その耐久性を著しく向上させることができることがわかった。
(Cell evaluation by endurance test 1)
A fuel cell single cell (evaluation single cell) was constructed using the produced MEA, and the cell voltage change with respect to the operation time was evaluated by the following method.
Hydrogen was supplied as fuel to the anode side of the fuel cell, and air was supplied to the cathode side. The supply pressure for both gases is atmospheric pressure, the temperature of the fuel cell body is set to 70 ° C., the hydrogen utilization rate is 67%, the anode supply gas dew point is 70 ° C., the air utilization rate is 40%, and the cathode supply gas dew point is 50%. The change in the cell voltage was examined when the load operation was performed for 10 minutes at a current density of 0.2 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 , respectively.
FIG. 7 shows changes in cell voltage due to load fluctuation operation as a result of power generation characteristics. In FIG. 7, the cell voltage is an average value of the cell voltage of 9 to 10 minutes from the start of 0.2 A / cm 2 operation in the load fluctuation operation. As shown in FIG. 7, the fuel cell (single cell) of Example 4 formed using the deterioration preventing layer 12 is compared with the fuel cell of Comparative Example 2 formed without using the deterioration preventing layer 12. It was confirmed that high power generation performance (high potential) can be stably maintained for a long period of time because the amount of decrease in the cell voltage is remarkably reduced. From this, it was found that the durability of the battery provided with the deterioration preventing layer of the present invention can be remarkably improved.

本発明のMEAに用いられる膜劣化防止層について説明する図面である。It is drawing explaining the film | membrane deterioration prevention layer used for MEA of this invention. 貴金属の粒子径または密度と過酸化水素の分解との関係を説明する図面である。It is a drawing for explaining the relationship between the particle size or density of noble metal and the decomposition of hydrogen peroxide. 回転リングディスクによる実験結果の一例を示す図面である。It is drawing which shows an example of the experimental result by a rotating ring disk. 過酸化水素の発生に与えるPt担持量の影響を示す図面である。It is drawing which shows the influence of the Pt carrying amount which gives on generation | occurrence | production of hydrogen peroxide. クロスオーバー層の有無と平衡電位との関係の一例を示す図面である。It is drawing which shows an example of the relationship between the presence or absence of a crossover layer, and an equilibrium potential. Pt粒子サイズの相違による過酸化水素の発生との関係の一例を示す図面である。It is drawing which shows an example of the relationship with the generation | occurrence | production of hydrogen peroxide by the difference in Pt particle size. 耐久試験結果の一例を示す図面である。It is drawing which shows an example of a durability test result.

符号の説明Explanation of symbols

11 酸化剤電極、
12 膜劣化防止層、
13 燃料電極、
21 白金粒子、
22 カーボン粒子。
11 Oxidant electrode,
12 Film degradation prevention layer,
13 Fuel electrode,
21 platinum particles,
22 Carbon particles.

Claims (7)

固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料電極および酸化剤電極とから構成される燃料電池用膜電極接合体において、
前記固体高分子電解質膜内に、前記燃料電極または酸化剤電極に沿って配置されてなる粒子径が5nm以上20nm未満の貴金属を触媒成分とする触媒を含む膜劣化防止層を有することを特徴とする膜電極接合体。
In a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidizer electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane from both sides,
The solid polymer electrolyte membrane has a membrane deterioration preventing layer containing a catalyst having a noble metal having a particle diameter of 5 nm or more and less than 20 nm arranged along the fuel electrode or oxidant electrode as a catalyst component. Membrane electrode assembly.
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料電極および酸化剤電極とから構成される燃料電池用膜電極接合体において、
前記固体高分子電解質膜内に、前記燃料電極または酸化剤電極に沿って配置されてなる貴金属が10μg/cm以上62μg/cm以下にある触媒を含む膜劣化防止層を有することを特徴とする膜電極接合体。
In a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidizer electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane from both sides,
And wherein the solid polymer electrolyte in membrane has a membrane deterioration preventing layer containing a catalyst noble metal comprising disposed along the fuel electrode or oxidant electrode is in 10 [mu] g / cm 2 or more 62μg / cm 2 or less Membrane electrode assembly.
前記触媒は、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウムまたはこれらの混合物を含む触媒である請求項1または2記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the catalyst is a catalyst containing platinum, ruthenium, iridium, palladium, or a mixture thereof. 前記触媒は、30μg−Pt/cm以上62μg−Pt/cm以下の白金を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The catalyst, 30μg-Pt / cm 2 or more 62μg-Pt / cm 2 or less in any one membrane electrode assembly according to claim 1 comprising platinum. 前記触媒は、電気化学的に活性な触媒表面積がガス吸着により評価された触媒表面積の70%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst has an electrochemically active catalyst surface area of 70% or more of a catalyst surface area evaluated by gas adsorption. 前記膜劣化防止層の厚みは、0.01〜1μmの範囲にある請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the thickness of the membrane deterioration preventing layer is in the range of 0.01 to 1 µm. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の膜電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1.
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