JP2006114397A - Membrane electrode assembly and fuel cell - Google Patents

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道夫 明壁
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Abstract

【課題】 耐久性に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料が供給される燃料極12と酸化剤が供給される酸化剤極13とからなる一対の電極によってイオン伝導性を有する高分子電解質膜11を挟持した膜電極接合体10であって、電極には繊維状導電体を含むガス拡散層12b、13bと触媒を含む触媒層12a、13aが設けられ、高分子電解質膜11の面方向の外形寸法は電極の面方向の外径寸法より大きく、ガス拡散層12b、13bの端面から突出する繊維状導電体が高分子電解質膜11に突き刺さることを防止する保護手段12cが設けられていることを特徴とする膜電極接合体および燃料電池。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell excellent in durability.
SOLUTION: A membrane electrode assembly 10 in which a polymer electrolyte membrane 11 having ion conductivity is sandwiched between a pair of electrodes composed of a fuel electrode 12 supplied with fuel and an oxidant electrode 13 supplied with an oxidant. The electrode is provided with gas diffusion layers 12b and 13b containing a fibrous conductor and catalyst layers 12a and 13a containing a catalyst, and the outer dimension in the surface direction of the polymer electrolyte membrane 11 is the outer diameter in the surface direction of the electrode. A membrane electrode assembly and a fuel cell, characterized in that a protective means 12c is provided, which is larger and prevents the fibrous conductor protruding from the end faces of the gas diffusion layers 12b and 13b from piercing the polymer electrolyte membrane 11. .
[Selection] Figure 1

Description

本発明は燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性を有する高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟持して接合した膜電極接合体を基本的要素としている。燃料供給路を有するセパレータが燃料極に当接され、燃料供給路によって燃料が燃料極に供給される。酸化剤供給路を有するセパレータが酸化剤極に当接され、酸化剤供給路によって酸化剤が酸化剤極に供給される。燃料としては一般的に水素、水素を含有する改質ガスなどのガスが使用される。酸化剤としては一般的に空気などのガスが使用される。これらのガスを反応ガスと称する。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane having ionic conductivity is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode and is joined as a basic element. A separator having a fuel supply path is brought into contact with the fuel electrode, and fuel is supplied to the fuel electrode through the fuel supply path. A separator having an oxidant supply path is brought into contact with the oxidant electrode, and the oxidant is supplied to the oxidant electrode through the oxidant supply path. As the fuel, gas such as hydrogen and reformed gas containing hydrogen is generally used. A gas such as air is generally used as the oxidizing agent. These gases are called reaction gases.

燃料極では燃料中の水素が触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
2H → 4H +4e
は、高分子電解質膜中を移動し酸化剤極の触媒に達し酸化剤中の酸素と反応して水となる。
4H +4e +O → 2H
上記の反応により水素と酸素を使用して電気化学反応で発電する。高分子電解質膜は水素イオンを伝導するとともに反応ガスを遮断する役割を有している。燃料電池の発電特性が経年変化により低下する原因の一つとして、発電時に反応ガスが高分子電解質膜を通って反対面側に透過するクロスリークという現象がある。
At the fuel electrode, the following reaction occurs when hydrogen in the fuel comes into contact with the catalyst.
2H 2 → 4H + + 4e
H + moves through the polymer electrolyte membrane, reaches the catalyst of the oxidant electrode, and reacts with oxygen in the oxidant to become water.
4H + + 4e + O 2 → 2H 2 O
The above reaction generates electricity by electrochemical reaction using hydrogen and oxygen. The polymer electrolyte membrane has a role of conducting hydrogen ions and blocking reaction gas. One of the causes of the deterioration of the power generation characteristics of the fuel cell due to aging is a phenomenon called cross leak in which the reaction gas permeates through the polymer electrolyte membrane to the opposite side during power generation.

クロスリークが起こる原因の一つとして高分子電解質膜に元々存在するピンホールがある。この問題を解決する方法として、特許文献1に高分子電解質膜を複数積層させることによってピンホール位置をずらす方法が開示されている。特許文献2には高分子電解質膜の表面をプラズマ処理・架橋処理などで改質してピンホールを防止する方法が開示されている。しかし、元々存在するピンホールはごくわずかであり、これによる水素ガス透過係数は9〜10×10−13(cm・cm・cm−2・sec−1・Pa−1)でかなり微量である。 One of the causes of the cross leak is a pinhole originally present in the polymer electrolyte membrane. As a method for solving this problem, Patent Document 1 discloses a method of shifting the pinhole position by laminating a plurality of polymer electrolyte membranes. Patent Document 2 discloses a method for preventing pinholes by modifying the surface of a polymer electrolyte membrane by plasma treatment or crosslinking treatment. However, there are very few pinholes originally present, and the resulting hydrogen gas permeability coefficient is 9 to 10 × 10 −13 (cm 3 · cm · cm −2 · sec −1 · Pa −1 ), which is a very small amount. .

膜電極接合体を構成する電極(燃料極、酸化剤極)は、カーボン繊維などの繊維状導電体を主要構成要素とするガス拡散層の一方面上に触媒層を有する構造である。クロスリークが起こる別の原因として、ガス拡散層の繊維状導電体が突き刺さることによる高分子電解質膜のピンホールがある。このピンホールのクロスリーク量(特に水素ガス透過量)は多いので、元々存在するピンホールより問題となる。この問題を解決する方法として、特許文献3にはガス拡散層による高分子電解質膜の損傷を抑制するために補強材(多孔膜、繊維状物、微粒子、結着材)を触媒層内に配置したり、補強材(多孔膜、繊維状物、スパッタ膜、カーボン層)を触媒層とガス拡散層の間に配置することが開示されている。
特開平6−84528号公報(段落[0010]) 特開2003−272663号公報(段落[0010]〜[0011]) 特開2004−220843号公報(請求項1、2) しかしながら、特許文献1、2の方法では、高分子電解質膜に元々存在するピンホールの対策となっているが、よりクロスリークが多いガス拡散層の繊維状導電体と突き刺さりによるピンホールの対策になっていない。一方、特許文献3はガス拡散層の繊維状導電体と突き刺さりによるピンホールの対策である、クロスリーク対策として十分でないことがわかった。
The electrode (fuel electrode, oxidant electrode) constituting the membrane electrode assembly has a structure having a catalyst layer on one surface of a gas diffusion layer having a fibrous conductor such as carbon fiber as a main component. Another cause of the cross leak is a pinhole in the polymer electrolyte membrane due to the puncture of the fibrous conductor of the gas diffusion layer. Since this pinhole has a large amount of cross leak (especially hydrogen gas permeation), it is more problematic than an existing pinhole. As a method for solving this problem, Patent Document 3 discloses that a reinforcing material (porous membrane, fibrous material, fine particles, binder) is disposed in the catalyst layer in order to suppress damage to the polymer electrolyte membrane due to the gas diffusion layer. However, it is disclosed that a reinforcing material (porous film, fibrous material, sputtered film, carbon layer) is disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer.
JP-A-6-84528 (paragraph [0010]) JP 2003-272663 A (paragraphs [0010] to [0011]) JP, 2004-220843, A (Claims 1, 2) However, the methods of Patent Documents 1 and 2 are measures against pinholes originally present in the polymer electrolyte membrane, but gas diffusion with more cross leaks. It is not a countermeasure against pinholes due to piercing with fibrous conductors in the layers. On the other hand, it has been found that Patent Document 3 is not sufficient as a countermeasure against cross leaks, which is a countermeasure against pinholes caused by piercing with the fibrous conductor of the gas diffusion layer.

本発明はクロスリークの原因を解明し、十分なクロスリーク対策を実現し、耐久性に優れた膜電極接合体および燃料電池を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to elucidate the cause of cross leak, to realize a sufficient cross leak countermeasure, and to provide a membrane electrode assembly and a fuel cell excellent in durability.

上記技術的課題を解決するために、請求項1の発明では、燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とからなる一対の電極によってイオン伝導性を有する高分子電解質膜を挟持した膜電極接合体であって、前記燃料極、前記酸化剤極の少なくとも一方は繊維状導電体を含むガス拡散層と触媒を含む触媒層が設けられ、前記高分子電解質膜の面方向の外形寸法は前記電極の面方向の外径寸法より大きく、前記ガス拡散層の端面から突出する繊維状導電体が前記高分子電解質膜に突き刺さることを防止する保護手段が設けられていることを特徴とする膜電極接合体としている。   In order to solve the above technical problem, in the invention of claim 1, a polymer electrolyte membrane having ionic conductivity by a pair of electrodes comprising a fuel electrode supplied with fuel and an oxidant electrode supplied with an oxidant. A membrane electrode assembly, wherein at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode is provided with a gas diffusion layer containing a fibrous conductor and a catalyst layer containing a catalyst, and the surface direction of the polymer electrolyte membrane The outer dimension of the electrode is larger than the outer diameter dimension in the surface direction of the electrode, and protective means for preventing the fibrous conductor protruding from the end face of the gas diffusion layer from piercing the polymer electrolyte membrane is provided. The membrane electrode assembly is characterized.

請求項2の発明では、前記保護手段が、前記ガス拡散層の端面を覆う第1保護層であることを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体としている。     The invention according to claim 2 is the membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the protection means is a first protection layer covering an end face of the gas diffusion layer.

請求項3の発明では、前記ガス拡散層と前記触媒層の間に、前記ガス拡散層の繊維状導電体が前記高分子電解質膜に突き刺さることを防止する第2保護層が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の膜電極接合体としている。   According to a third aspect of the present invention, a second protective layer is provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer to prevent the fibrous conductor of the gas diffusion layer from piercing the polymer electrolyte membrane. The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the membrane electrode assembly is provided.

請求項4の発明では、前記第1保護層、前記第2保護層の少なくとも一方の成分としてカーボン粒子と高分子電解質が含まれていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体としている。   In the invention of claim 4, carbon particles and a polymer electrolyte are contained as at least one component of the first protective layer and the second protective layer. This membrane electrode assembly is used.

請求項5の発明では、請求項1〜4に記載の膜電極接合体を使用していることを特徴とする燃料電池としている。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell using the membrane electrode assembly according to the first to fourth aspects.

請求項1の発明によれば、ガス拡散層の端面から突出する繊維状導電体が高分子電解質膜に突き刺さることを防止する保護手段が設けられているので、高分子電解質膜を介して反応ガスがクロスリークすることを防止でき、耐久性に優れた膜電極接合体ができる。     According to the first aspect of the present invention, since the protective means for preventing the fibrous conductor protruding from the end face of the gas diffusion layer from piercing the polymer electrolyte membrane is provided, the reaction gas is passed through the polymer electrolyte membrane. Can be prevented from cross leaking, and a membrane electrode assembly excellent in durability can be obtained.

請求項2の発明によれば、ガス拡散層の端面に第1保護層が設けられているので、高分子電解質膜を介して反応ガスがクロスリークすることを防止でき、耐久性に優れた膜電極接合体ができる。     According to invention of Claim 2, since the 1st protective layer is provided in the end surface of the gas diffusion layer, it can prevent that reactive gas cross-leaks through a polymer electrolyte membrane, and is a film | membrane excellent in durability An electrode assembly can be formed.

請求項3の発明によれば、ガス拡散層と触媒層の間にガス拡散層の繊維状導電体が高分子電解質膜に突き刺さることを防止する第2保護層が設けられているので、触媒層を介して高分子電解質膜に突き刺さることを防止でき、反応ガスがクロスリークすることをより防止でき、耐久性に優れた膜電極接合体ができる。     According to the invention of claim 3, since the second protective layer for preventing the fibrous conductor of the gas diffusion layer from sticking into the polymer electrolyte membrane is provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer, the catalyst layer The membrane electrode assembly can be prevented from being pierced through the polymer electrolyte membrane, more effectively preventing the reactant gas from cross leaking, and having excellent durability.

請求項4の発明によれば、第1保護層や第2保護層をカーボン粒子と高分子電解質で形成することにより、突き刺し防止と耐食性に優れた保護層ができる。     According to the invention of claim 4, by forming the first protective layer and the second protective layer with carbon particles and a polymer electrolyte, a protective layer excellent in puncture prevention and corrosion resistance can be obtained.

請求項5の発明によれば、耐久性に優れた膜電極接合体を使用しているので、耐久性に優れた燃料電池ができる。     According to the invention of claim 5, since the membrane electrode assembly excellent in durability is used, a fuel cell excellent in durability can be obtained.

本発明者は、特許文献3の方法ではクロスリーク対策として不十分である原因について探究し本発明に至った。   The present inventor has investigated the cause of the method of Patent Document 3 being insufficient as a countermeasure against cross leak and has reached the present invention.

図7は一般的な膜電極接合体の説明断面図である。膜電極接合体50は、燃料極52、高分子電解質膜51、酸化剤極53の順に積層し熱プレスにより接合されている。燃料極52はガス拡散層52bの一方面に触媒層52aが設けられている。酸化剤極53はガス拡散層53bの一方面に触媒層53aが設けられている。燃料極52、酸化剤極53はそれぞれ触媒層52a、触媒層53aが高分子電解質膜51に当接するように配置されている。燃料極52、酸化剤極53の高分子電解質膜51に当接する面の大きさは、ほぼ同じである。高分子電解質膜51の燃料極52、酸化剤極53と当接する面の大きさは、燃料極52、酸化剤極53の大きさより大きくなっている。これは高分子電解質膜51が燃料極52に供給される燃料と酸化剤極53に供給される酸化剤の混合を防ぐシール材の役割を担っているためである。   FIG. 7 is an explanatory sectional view of a general membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly 50 is formed by laminating a fuel electrode 52, a polymer electrolyte membrane 51, and an oxidant electrode 53 in this order and joining them by hot pressing. The fuel electrode 52 is provided with a catalyst layer 52a on one surface of the gas diffusion layer 52b. The oxidant electrode 53 is provided with a catalyst layer 53a on one surface of the gas diffusion layer 53b. The fuel electrode 52 and the oxidant electrode 53 are disposed so that the catalyst layer 52a and the catalyst layer 53a are in contact with the polymer electrolyte membrane 51, respectively. The sizes of the surfaces of the fuel electrode 52 and the oxidant electrode 53 that are in contact with the polymer electrolyte membrane 51 are substantially the same. The size of the surface of the polymer electrolyte membrane 51 that contacts the fuel electrode 52 and the oxidant electrode 53 is larger than the size of the fuel electrode 52 and the oxidant electrode 53. This is because the polymer electrolyte membrane 51 serves as a sealing material that prevents mixing of the fuel supplied to the fuel electrode 52 and the oxidant supplied to the oxidant electrode 53.

本発明者は、触媒層52aとガス拡散層52bの間、および触媒層53aとガス拡散層53bの間にそれぞれカーボン層(特許文献3でいう補強材)を設けた膜電極接合体50を製造し、これを用いた燃料電池単セルの発電実験を行った。カーボン層を設けることにより燃料電池の耐久性が向上することは確認できたが、十分とはいえない状態であった。本発明者は、その原因について探究した。カーボン層の厚さを厚くしていくにつれて耐久性が向上するが、所定厚さを越えるとそれ以上耐久性が向上しなくなる。ここからカーボン層が所定厚さあればガス拡散層の繊維状導電体による高分子電解質膜突き刺しはなくなっていると考えられる。ところが依然クロスリークが存在し、これが燃料電池の耐久性に影響していた。このクロスリーク量は元々高分子電解質膜に存在するピンホールでは説明がつかない。   The inventor manufactures a membrane electrode assembly 50 in which carbon layers (reinforcing materials referred to in Patent Document 3) are provided between the catalyst layer 52a and the gas diffusion layer 52b and between the catalyst layer 53a and the gas diffusion layer 53b, respectively. Then, a power generation experiment of a single fuel cell using this was conducted. Although it was confirmed that the durability of the fuel cell was improved by providing the carbon layer, it was not sufficient. The inventor investigated the cause. As the thickness of the carbon layer is increased, the durability is improved. However, when the thickness exceeds the predetermined thickness, the durability is not further improved. From this, it is considered that if the carbon layer has a predetermined thickness, the polymer electrolyte membrane piercing by the fibrous conductor of the gas diffusion layer is eliminated. However, there was still a cross leak, which affected the durability of the fuel cell. This amount of cross leak cannot be explained by the pinhole originally existing in the polymer electrolyte membrane.

そこで本発明者はこのクロスリークの原因について考察した結果、ガス拡散層の端面に存在する繊維状導電体が原因ではないかと考えた。ここで、ガス拡散層の端面とは、高分子電解質膜に面する平面とその背面以外の面をいう。ガス拡散層は、カーボン繊維をシート状に固めたカーボンペーパー、カーボン繊維の織布であるカーボンクロスなどのカーボン繊維のシートを電極として必要な所定形状に切断して使用する。本発明者の試験では打ち抜きによって所定形状にしたカーボンペーパーを使用した。この切断時にガス拡散層の端面のカーボン繊維が毛羽立ったり、脱落したりする。そのカーボン繊維が高分子電解質膜に突き刺さり、その結果ピンホールが生ずるため、クロスリーク量が大きくなっている。端面のカーボン繊維が触媒層を介して高分子電解質膜に突き刺さる場合もあるが、これは触媒層とガス拡散層の間にあるカーボン層によって、ほとんど防止できる。しかし、電極の周囲に存在する高分子電解質膜にガス拡散層の端面のカーボン繊維が突き刺さることを防止することはできない。これがカーボン層を設けてもクロスリークが残る原因である。   Therefore, as a result of studying the cause of the cross leak, the present inventor has thought that the cause is a fibrous conductor present on the end face of the gas diffusion layer. Here, the end surface of the gas diffusion layer refers to a surface other than the flat surface facing the polymer electrolyte membrane and its back surface. The gas diffusion layer is used by cutting a carbon fiber sheet such as carbon paper obtained by solidifying carbon fibers into a sheet or carbon cloth which is a woven fabric of carbon fibers into a predetermined shape as an electrode. In the inventor's test, carbon paper made into a predetermined shape by punching was used. At the time of this cutting, the carbon fiber on the end face of the gas diffusion layer becomes fuzzy or falls off. Since the carbon fibers pierce the polymer electrolyte membrane, resulting in pinholes, the amount of cross leak is large. In some cases, the carbon fibers on the end face may pierce the polymer electrolyte membrane through the catalyst layer, but this can be almost prevented by the carbon layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer. However, it is impossible to prevent the carbon fibers on the end face of the gas diffusion layer from being stuck into the polymer electrolyte membrane existing around the electrode. This is the cause of the cross leak remaining even when the carbon layer is provided.

本発明者はクロスリークの原因を上記のように考えた。この考察に基づいて、ガス拡散層の端面のカーボン繊維が高分子電解質膜に突き刺さることを防止する保護手段を設けるという本発明に至った。すなわち、本発明は電極の面方向の外形寸法より大きい面方向の外形寸法を有する高分子電解質膜を備えた膜電極接合体において、ガス拡散層の端面のカーボン繊維が高分子電解質膜に突き刺さることを防止する保護手段を設けたことである。   The inventor considered the cause of the cross leak as described above. Based on this consideration, the present invention has been reached in which a protective means for preventing the carbon fiber on the end face of the gas diffusion layer from piercing the polymer electrolyte membrane is provided. That is, according to the present invention, in the membrane / electrode assembly provided with the polymer electrolyte membrane having the outer dimension in the surface direction larger than the outer dimension in the surface direction of the electrode, the carbon fiber on the end surface of the gas diffusion layer pierces the polymer electrolyte membrane. Is provided with a protection means to prevent.

保護手段としては、例えば、ガス拡散層の端面に第1保護層を設ける、電極との接合面より外部に存在する高分子電解質膜の周辺部を保護する第3保護層を設ける、などがある。第1保護層または第3保護層に併せて、ガス拡散層と触媒層の間に第2保護層を設けてもよい。   Examples of the protective means include providing a first protective layer on the end surface of the gas diffusion layer, and providing a third protective layer that protects the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane existing outside the bonding surface with the electrode. . In addition to the first protective layer or the third protective layer, a second protective layer may be provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer.

第1保護層、第3保護層の材料は、この部分は導電性が必要ないので、繊維状導電体の高分子電解質突き刺し防止ができ、当該部分に形成可能で燃料電池に悪影響を与えなければ、どんな材料でもよい。後述のように実施例ではカーボン粒子と電解質材料の混合物を用いた。カーボン粒子には繊維状導電体の突き刺し防止効果がある。カーボン粒子の代わりに無機粒子でもプラスチック粒子などでもよい。電解質材料には繊維状導電体の突き刺し防止効果もあるが、カーボン粒子間の接着剤および保護層とガス拡散層、または保護層と高分子電解質膜との接着剤の役割がある。電解質材料の代わりにエポキシ系、シリコン系、フッ素系の耐熱・耐水に強いポリマーなどのでもよい。また、カーボン粒子やその代替物を使用せず、突き刺し防止効果と接着効果を有する有機材料を1種または2種以上の混合物で使用することもできる。例えば、エポキシ系、シリコン系、フッソ系の耐熱、耐水に強いポリマーが使用できる。特に第3保護層の場合、高分子電解質膜を用いて当該部分に熱プレス等で接合してもよい。   Since the material of the first protective layer and the third protective layer does not need electrical conductivity in this portion, the polymer electrolyte can be prevented from being pierced by the fibrous conductor, and can be formed in the relevant portion, so that the fuel cell is not adversely affected. Any material can be used. As described later, in the examples, a mixture of carbon particles and an electrolyte material was used. The carbon particles have an effect of preventing the puncture of the fibrous conductor. Instead of carbon particles, inorganic particles or plastic particles may be used. The electrolyte material also has an effect of preventing the puncture of the fibrous conductor, but has the role of an adhesive between the carbon particles and a protective layer and a gas diffusion layer or an adhesive between the protective layer and the polymer electrolyte membrane. Instead of the electrolyte material, an epoxy-based, silicon-based, or fluorine-based polymer resistant to heat and water may be used. Moreover, the organic material which has a stab prevention effect and an adhesive effect can also be used by 1 type, or 2 or more types of mixtures, without using a carbon particle and its substitute. For example, an epoxy-based, silicon-based, or fluorine-based polymer that is resistant to heat and water can be used. Particularly in the case of the third protective layer, a polymer electrolyte membrane may be used to join the portion by hot pressing or the like.

第2保護層の材料は、第1保護層、第3保護層に必要な性質に加えて導電性とガス透過性が必要である。後述のように実施例では第1保護層、第3保護層と同様にカーボン粒子と電解質材料の混合物を用いた。カーボン粒子は導電性を有するので、必要要件を満たしている。カーボン粒子に代わりとして他の導電性粒子を用いてもよい。しかし、カーボン粒子を使用することは、触媒層にも使用しており、取り扱い上やコスト上で好ましい。第1保護層、第3保護層の材料として、第2保護層に使用する材料と同じものを使用すれば、やはり取り扱い上やコスト上で好ましい。   The material of the second protective layer needs to have conductivity and gas permeability in addition to the properties required for the first protective layer and the third protective layer. As described later, in the examples, a mixture of carbon particles and an electrolyte material was used in the same manner as in the first protective layer and the third protective layer. Since the carbon particles have conductivity, they satisfy the necessary requirements. Other conductive particles may be used in place of the carbon particles. However, using carbon particles is also used for the catalyst layer, which is preferable in terms of handling and cost. If the same material as that used for the second protective layer is used as the material for the first protective layer and the third protective layer, it is preferable in terms of handling and cost.

図1は第1実施形態の膜電極接合体を説明する説明図である。膜電極接合体10は、燃料極12、高分子電解質膜11、酸化剤極13の順に積層し熱プレスにより接合されている。燃料極12は、繊維状導電体を含むガス拡散層12bと、ガス拡散層12bの端面に設けられた第1保護層12cと、ガス拡散層12bの一方面に設けられた第2保護層12dと、第2保護層12dのガス拡散層12bと背向する面に設けられた触媒層12aとを備えている。第1保護層12c、第2保護層12dはガス拡散層12bの繊維状導電体が高分子電解質膜11に突き刺さることを防止するための保護層である。酸化剤極13は、繊維状導電体を含むガス拡散層13bと、ガス拡散層13bの端面に設けられた第1保護層13cと、ガス拡散層13bの一方面に設けられた第2保護層13dと、第2保護層13dのガス拡散層13bと背向する面に設けられた触媒層13aとを備えている。第1保護層13c、第2保護層13dはガス拡散層13bの繊維状導電体が高分子電解質膜11に突き刺さることを防止するための保護層である。   FIG. 1 is an explanatory view illustrating a membrane electrode assembly according to the first embodiment. The membrane electrode assembly 10 is formed by laminating a fuel electrode 12, a polymer electrolyte membrane 11, and an oxidant electrode 13 in this order and joining them by hot pressing. The fuel electrode 12 includes a gas diffusion layer 12b including a fibrous conductor, a first protective layer 12c provided on an end surface of the gas diffusion layer 12b, and a second protective layer 12d provided on one surface of the gas diffusion layer 12b. And a gas diffusion layer 12b of the second protective layer 12d and a catalyst layer 12a provided on the back surface. The first protective layer 12 c and the second protective layer 12 d are protective layers for preventing the fibrous conductor of the gas diffusion layer 12 b from sticking into the polymer electrolyte membrane 11. The oxidant electrode 13 includes a gas diffusion layer 13b containing a fibrous conductor, a first protective layer 13c provided on an end surface of the gas diffusion layer 13b, and a second protective layer provided on one surface of the gas diffusion layer 13b. 13d and a gas diffusion layer 13b of the second protective layer 13d and a catalyst layer 13a provided on the back surface. The first protective layer 13 c and the second protective layer 13 d are protective layers for preventing the fibrous conductor of the gas diffusion layer 13 b from sticking into the polymer electrolyte membrane 11.

燃料極12、酸化剤極13はそれぞれ触媒層12a、触媒層13aが高分子電解質膜11に当接するように配置されている。燃料極12、酸化剤極13の高分子電解質膜11に当接する面の大きさは、ほぼ同じである。高分子電解質膜11の燃料極12、酸化剤極13と当接する面の大きさ(面方向の外形寸法)は、燃料極12、酸化剤極13の面の大きさ(面方向の外形寸法)より大きくなっている。これは高分子電解質膜11が燃料極12に供給される燃料と酸化剤極13に供給される酸化剤の混合を防ぐシール材の役割を担っているためである。第1保護層12c、第1保護層13cは、それぞれガス拡散層12b、ガス拡散層13bの端面全体すなわち一周にわたって設けられている。燃料極12は、まずガス拡散層12bに第1保護層12cを形成し、次に第2保護層12dを形成後、第2保護層12dの上に触媒層12aを形成して製造する。同様に、酸化剤極13は、まずガス拡散層13bに第1保護層13cを形成し、次に第2保護層13dを形成後、第2保護層13dの上に触媒層13aを形成して製造する。   The fuel electrode 12 and the oxidant electrode 13 are disposed so that the catalyst layer 12a and the catalyst layer 13a are in contact with the polymer electrolyte membrane 11, respectively. The sizes of the surfaces of the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 13 that are in contact with the polymer electrolyte membrane 11 are substantially the same. The size of the surface of the polymer electrolyte membrane 11 in contact with the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 13 (outside dimension in the surface direction) is the size of the surface of the fuel electrode 12 and oxidant electrode 13 (outside dimension in the surface direction). It is getting bigger. This is because the polymer electrolyte membrane 11 serves as a sealing material that prevents mixing of the fuel supplied to the fuel electrode 12 and the oxidant supplied to the oxidant electrode 13. The first protective layer 12c and the first protective layer 13c are provided over the entire end face of the gas diffusion layer 12b and the gas diffusion layer 13b, that is, over the entire circumference, respectively. The fuel electrode 12 is manufactured by first forming the first protective layer 12c on the gas diffusion layer 12b, then forming the second protective layer 12d, and then forming the catalyst layer 12a on the second protective layer 12d. Similarly, the oxidant electrode 13 first forms the first protective layer 13c on the gas diffusion layer 13b, then forms the second protective layer 13d, and then forms the catalyst layer 13a on the second protective layer 13d. To manufacture.

図2は第2実施形態の膜電極接合体を説明する説明図である。膜電極接合体20は、燃料極22、高分子電解質膜21、酸化剤極23の順に積層し熱プレスにより接合されている。燃料極22は、繊維状導電体を含むガス拡散層22bと、ガス拡散層22bの端面に設けられた第1保護層22cと、ガス拡散層22bの一方面に設けられた第2保護層22dと、第2保護層22dのガス拡散層22bと背向する面に設けられた触媒層22aとを備えている。第1保護層22c、第2保護層22dはガス拡散層22bの繊維状導電体が高分子電解質膜21に突き刺さることを防止するための保護層である。酸化剤極23は、繊維状導電体を含むガス拡散層23bと、ガス拡散層23bの端面に設けられた第1保護層23cと、ガス拡散層23bの一方面に設けられた第2保護層23dと、第2保護層23dのガス拡散層23bと背向する面に設けられた触媒層23aとを備えている。第1保護層23c、第2保護層23dはガス拡散層23bの繊維状導電体が高分子電解質膜21に突き刺さることを防止するための保護層である。   FIG. 2 is an explanatory view illustrating a membrane electrode assembly according to the second embodiment. The membrane electrode assembly 20 is formed by laminating a fuel electrode 22, a polymer electrolyte membrane 21, and an oxidizer electrode 23 in this order and joining them by hot pressing. The fuel electrode 22 includes a gas diffusion layer 22b including a fibrous conductor, a first protective layer 22c provided on an end surface of the gas diffusion layer 22b, and a second protective layer 22d provided on one surface of the gas diffusion layer 22b. And a gas diffusion layer 22b of the second protective layer 22d and a catalyst layer 22a provided on the back surface. The first protective layer 22 c and the second protective layer 22 d are protective layers for preventing the fibrous conductor of the gas diffusion layer 22 b from sticking into the polymer electrolyte membrane 21. The oxidizer electrode 23 includes a gas diffusion layer 23b including a fibrous conductor, a first protective layer 23c provided on an end surface of the gas diffusion layer 23b, and a second protective layer provided on one surface of the gas diffusion layer 23b. 23d and a gas diffusion layer 23b of the second protective layer 23d and a catalyst layer 23a provided on the back surface. The first protective layer 23c and the second protective layer 23d are protective layers for preventing the fibrous conductor of the gas diffusion layer 23b from piercing the polymer electrolyte membrane 21.

燃料極22、酸化剤極23はそれぞれ触媒層22a、触媒層23aが高分子電解質膜21に当接するように配置されている。燃料極22、酸化剤極23の高分子電解質膜21に当接する面の大きさは、ほぼ同じである。高分子電解質膜21の燃料極22、酸化剤極23と当接する面の大きさ(面方向の外形寸法)は、燃料極22、酸化剤極23の面の大きさ(面方向の外形寸法)より大きくなっている。これは高分子電解質膜21が燃料極22に供給される燃料と酸化剤極23に供給される酸化剤の混合を防ぐシール材の役割を担っているためである。第1保護層22c、第1保護層23cは、それぞれガス拡散層22b、ガス拡散層23bの端面全体すなわち一周にわたって設けられている。燃料極22は、まずガス拡散層22bに第2保護層22dを形成し、次に第1保護層22cを形成後、第2保護層22dの上に触媒層22aを形成して製造する。同様に、酸化剤極23は、まずガス拡散層23bに第2保護層23dを形成し、次に第1保護層23cを形成後、第2保護層23dの上に触媒層23aを形成して製造する。第2実施形態は、第1実施形態とは第1保護層と第2保護層を形成する順序が異なっている。   The fuel electrode 22 and the oxidant electrode 23 are disposed so that the catalyst layer 22a and the catalyst layer 23a are in contact with the polymer electrolyte membrane 21, respectively. The sizes of the surfaces of the fuel electrode 22 and the oxidant electrode 23 that are in contact with the polymer electrolyte membrane 21 are substantially the same. The size of the surface of the polymer electrolyte membrane 21 that contacts the fuel electrode 22 and the oxidant electrode 23 (surface dimension in the surface direction) is the size of the surface of the fuel electrode 22 and oxidant electrode 23 (the dimension in the surface direction). It is getting bigger. This is because the polymer electrolyte membrane 21 serves as a sealing material that prevents mixing of the fuel supplied to the fuel electrode 22 and the oxidant supplied to the oxidant electrode 23. The first protective layer 22c and the first protective layer 23c are provided over the entire end face of the gas diffusion layer 22b and the gas diffusion layer 23b, that is, around the entire circumference. The fuel electrode 22 is manufactured by first forming the second protective layer 22d on the gas diffusion layer 22b, then forming the first protective layer 22c, and then forming the catalyst layer 22a on the second protective layer 22d. Similarly, the oxidant electrode 23 is formed by first forming the second protective layer 23d in the gas diffusion layer 23b, then forming the first protective layer 23c, and then forming the catalyst layer 23a on the second protective layer 23d. To manufacture. The second embodiment differs from the first embodiment in the order of forming the first protective layer and the second protective layer.

図3は第3実施形態の膜電極接合体を説明する説明図である。膜電極接合体30は、燃料極32、高分子電解質膜31、酸化剤極33の順に積層し熱プレスにより接合されている。燃料極32は、繊維状導電体を含むガス拡散層32bと、ガス拡散層32bの繊維状導電体が高分子電解質膜31に突き刺さることを防止するためにガス拡散層32bの全面を覆うように設けられた保護層32cと、燃料極32の一方面で保護層32c上に設けられた触媒層32aとを備えている。ガス拡散層32bの端面を覆う保護層32cの部分が第1保護層32c1となっており、ガス拡散層32bと触媒層32aとの間の保護層32cの部分が第2保護層32c2となっっている。酸化剤極33は、繊維状導電体を含むガス拡散層33bと、ガス拡散層33bの繊維状導電体が高分子電解質膜31に突き刺さることを防止するためにガス拡散層33bの全面を覆うように設けられた保護層33cと、酸化剤極33の一方面で保護層33c上に設けられた触媒層33aとを備えている。ガス拡散層33bの端面を覆う保護層33cの部分が第1保護層33c1となっており、ガス拡散層33bと触媒層33aとの間の保護層33cの部分が第2保護層33c2となっっている。   FIG. 3 is an explanatory view for explaining the membrane electrode assembly of the third embodiment. The membrane electrode assembly 30 is formed by laminating a fuel electrode 32, a polymer electrolyte membrane 31, and an oxidizer electrode 33 in this order and joining them by hot pressing. The fuel electrode 32 covers the entire surface of the gas diffusion layer 32b in order to prevent the fibrous conductor of the gas diffusion layer 32b including the fibrous conductor and the fibrous conductor of the gas diffusion layer 32b from piercing the polymer electrolyte membrane 31. The protective layer 32 c provided and the catalyst layer 32 a provided on the protective layer 32 c on one surface of the fuel electrode 32 are provided. The portion of the protective layer 32c that covers the end face of the gas diffusion layer 32b is the first protective layer 32c1, and the portion of the protective layer 32c between the gas diffusion layer 32b and the catalyst layer 32a is the second protective layer 32c2. ing. The oxidizer electrode 33 covers the entire surface of the gas diffusion layer 33b in order to prevent the fibrous conductor of the gas diffusion layer 33b and the fibrous conductor of the gas diffusion layer 33b from piercing the polymer electrolyte membrane 31. And a catalyst layer 33 a provided on the protective layer 33 c on one surface of the oxidant electrode 33. The portion of the protective layer 33c covering the end surface of the gas diffusion layer 33b is the first protective layer 33c1, and the portion of the protective layer 33c between the gas diffusion layer 33b and the catalyst layer 33a is the second protective layer 33c2. ing.

燃料極32、酸化剤極33はそれぞれ触媒層32a、触媒層33aが高分子電解質膜31に当接するように配置されている。燃料極32、酸化剤極33の高分子電解質膜31に当接する面の大きさは、ほぼ同じである。高分子電解質膜31の燃料極32、酸化剤極33と当接する面の大きさ(面方向の外形寸法)は、燃料極32、酸化剤極33の面の大きさ(面方向の外形寸法)より大きくなっている。これは高分子電解質膜31が燃料極32に供給される燃料と酸化剤極33に供給される酸化剤の混合を防ぐシール材の役割を担っているためである。燃料極32は、ガス拡散層32bの全面を覆うように保護層32cを形成して製造する。同様に、酸化剤極33は、ガス拡散層33bの全面を覆うように保護層33cを形成して製造する。保護層32c、33cの形成方法としては、保護層を形成する材料を分散媒を使用してペースト状や液状のコーティング材とし、コーティング材中にガス拡散層を浸漬・引き上げ・乾燥する方法、コーティング材を吹き付け等で塗布する方法などがある。これらの方法によれば、保護層を形成する製造コストを低くできる。   The fuel electrode 32 and the oxidant electrode 33 are disposed so that the catalyst layer 32a and the catalyst layer 33a are in contact with the polymer electrolyte membrane 31, respectively. The sizes of the surfaces of the fuel electrode 32 and the oxidant electrode 33 that are in contact with the polymer electrolyte membrane 31 are substantially the same. The size of the surface of the polymer electrolyte membrane 31 that contacts the fuel electrode 32 and the oxidant electrode 33 (surface dimension in the surface direction) is the size of the surface of the fuel electrode 32 and oxidant electrode 33 (the dimension in the surface direction). It is getting bigger. This is because the polymer electrolyte membrane 31 serves as a sealing material that prevents mixing of the fuel supplied to the fuel electrode 32 and the oxidant supplied to the oxidant electrode 33. The fuel electrode 32 is manufactured by forming a protective layer 32c so as to cover the entire surface of the gas diffusion layer 32b. Similarly, the oxidant electrode 33 is manufactured by forming a protective layer 33c so as to cover the entire surface of the gas diffusion layer 33b. As a method for forming the protective layers 32c and 33c, a material for forming the protective layer is made into a paste or liquid coating material using a dispersion medium, and the gas diffusion layer is dipped, pulled up and dried in the coating material, coating There is a method of applying a material by spraying or the like. According to these methods, the manufacturing cost for forming the protective layer can be reduced.

図4は第4実施形態の膜電極接合体を説明する説明図である。膜電極接合体40は、燃料極42、高分子電解質膜41、酸化剤極43の順に積層し熱プレスにより接合されている。燃料極42は、繊維状導電体を含むガス拡散層42bと、ガス拡散層42b一方面に設けられた触媒層42aとを備えている。酸化剤極43は、繊維状導電体を含むガス拡散層43bと、ガス拡散層43b一方面に設けられた触媒層43aとを備えている。   FIG. 4 is an explanatory view for explaining the membrane electrode assembly of the fourth embodiment. The membrane electrode assembly 40 is formed by laminating a fuel electrode 42, a polymer electrolyte membrane 41, and an oxidizer electrode 43 in this order and joining them by hot pressing. The fuel electrode 42 includes a gas diffusion layer 42b including a fibrous conductor and a catalyst layer 42a provided on one surface of the gas diffusion layer 42b. The oxidant electrode 43 includes a gas diffusion layer 43b including a fibrous conductor and a catalyst layer 43a provided on one surface of the gas diffusion layer 43b.

燃料極42、酸化剤極43はそれぞれ触媒層42a、触媒層43aが高分子電解質膜41に当接するように配置されている。燃料極42、酸化剤極43の高分子電解質膜41に当接する面の大きさは、ほぼ同じである。高分子電解質膜41の燃料極42、酸化剤極43と当接する面の大きさ(面方向の外形寸法)は、燃料極42、酸化剤極43の面の大きさ(面方向の外形寸法)より大きくなっている。これは高分子電解質膜41が燃料極42に供給される燃料と酸化剤極43に供給される酸化剤の混合を防ぐシール材の役割を担っているためである。燃料極42、酸化剤極43との接合面より外部に存在する高分子電解質膜41の周辺部に、ガス拡散層42bやガス拡散層43bの繊維状導電体が高分子電解質膜41に突き刺さることを防止するための第3保護層44が設けられている。膜電極接合体40の製造方法としては、燃料極42、高分子電解質膜41、酸化剤極43の順に積層し熱プレスにより接合したのち、その接合面から突き出している高分子電解質膜41の周辺部に第3保護層44を形成する。第3保護層44は、図4のように、高分子電解質膜41の周辺部全体に設けてもよいが、少なくともシール部分より内側(高分子電解質膜41の中央側)に設けられていればよい。   The fuel electrode 42 and the oxidant electrode 43 are disposed so that the catalyst layer 42a and the catalyst layer 43a are in contact with the polymer electrolyte membrane 41, respectively. The sizes of the surfaces of the fuel electrode 42 and the oxidant electrode 43 that are in contact with the polymer electrolyte membrane 41 are substantially the same. The size of the surface of the polymer electrolyte membrane 41 in contact with the fuel electrode 42 and the oxidant electrode 43 (outside dimension in the surface direction) is the size of the surface of the fuel electrode 42 and oxidant electrode 43 (outside dimension in the surface direction). It is getting bigger. This is because the polymer electrolyte membrane 41 serves as a sealing material that prevents mixing of the fuel supplied to the fuel electrode 42 and the oxidant supplied to the oxidant electrode 43. The fibrous conductors of the gas diffusion layer 42b and the gas diffusion layer 43b pierce the polymer electrolyte membrane 41 in the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane 41 existing outside the joint surface between the fuel electrode 42 and the oxidant electrode 43. A third protective layer 44 for preventing the above is provided. As a manufacturing method of the membrane electrode assembly 40, the fuel electrode 42, the polymer electrolyte membrane 41, and the oxidant electrode 43 are laminated in this order and bonded by hot pressing, and then the periphery of the polymer electrolyte membrane 41 protruding from the bonded surface A third protective layer 44 is formed on the portion. As shown in FIG. 4, the third protective layer 44 may be provided on the entire periphery of the polymer electrolyte membrane 41, but as long as it is provided at least on the inner side (center side of the polymer electrolyte membrane 41) from the seal portion. Good.

実施例1は実施形態1に相当する実施例であり、図1を用いて説明する。   Example 1 is an example corresponding to Embodiment 1, and will be described with reference to FIG.

(ガス拡散層の形成)
1000gの水に300gのカーボンブラック(導電性物質)を混合し、攪拌機により10分間攪拌した。その混合液にダイキン工業株式会社製のテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと称する。)の含有濃度が60%のディスパージョン原液(商品名:POLYFLON D1グレード)250gを添加し、10分間攪拌してカーボンインクを作製した。ガス拡散層の基材であるカーボンペーパー(東レ株式会社製、トレカTGP−060、厚さ180μm)をカーボンインクに投入した。カーボンペーパーに充分にカーボンインクを含浸させたのち、カーボンペーパーをカーボンインクから引き上げ、80℃の温度に保った乾燥炉でカーボンペーパーの余分な水分を蒸発させた。その後、焼結温度390℃で60分間保持してPTFEを焼結し、撥水カーボンペーパーを2個作製した。これを打ち抜き型で面形状が所定形状となるように打ち抜き、燃料極用のガス拡散層12bおよび酸化剤極用のガス拡散層13bとした。ガス拡散層12b、ガス拡散層13bの大きさは100mm×130mm×厚さ180μmである。
(Formation of gas diffusion layer)
To 1000 g of water, 300 g of carbon black (conductive substance) was mixed, and stirred with a stirrer for 10 minutes. 250 g of a dispersion stock solution (trade name: POLYFLON D1 grade) containing 60% of tetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) manufactured by Daikin Industries, Ltd. was added to the mixed solution, and the mixture was stirred for 10 minutes to carbon. An ink was prepared. Carbon paper (Toray Industries, Ltd., trading card TGP-060, thickness 180 μm), which is a base material for the gas diffusion layer, was put into the carbon ink. After carbon paper was sufficiently impregnated with carbon ink, the carbon paper was lifted from the carbon ink, and excess water in the carbon paper was evaporated in a drying furnace maintained at a temperature of 80 ° C. Thereafter, PTFE was sintered at a sintering temperature of 390 ° C. for 60 minutes to produce two water-repellent carbon papers. This was punched with a punching die so that the surface shape was a predetermined shape, and a gas diffusion layer 12b for the fuel electrode and a gas diffusion layer 13b for the oxidant electrode were obtained. The size of the gas diffusion layer 12b and the gas diffusion layer 13b is 100 mm × 130 mm × thickness 180 μm.

(第1保護層の形成)
5wt%濃度のイオン交換樹脂溶液(旭化成工業株式会社製、SS−1080)12gにカーボンブラック(導電性物質)120gを混合し、攪拌機により10分間攪拌してカーボンペーストを作製した。このカーボンペーストをガス拡散層12b、ガス拡散層13bそれぞれの端面全周と端面から5mmの平面部に刷毛で塗布した。平面部の端にも塗布したのは、端面と平面部の角などに確実に保護層を形成するためである。第1保護層の厚さが約40μmになるようにした。第1保護層の厚さを実測したところ30〜50μmであった。
(Formation of first protective layer)
120 g of carbon black (conductive substance) was mixed with 12 g of an ion exchange resin solution (SS-1080, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.) having a concentration of 5 wt%, and stirred with a stirrer for 10 minutes to prepare a carbon paste. This carbon paste was applied with a brush to the entire periphery of the end surfaces of the gas diffusion layer 12b and the gas diffusion layer 13b and to a flat portion 5 mm from the end surfaces. The reason why it is applied also to the end of the flat portion is to form a protective layer on the corners of the end surface and the flat portion. The thickness of the first protective layer was about 40 μm. When the thickness of the 1st protective layer was measured, it was 30-50 micrometers.

(第2保護層の形成)
第1保護層に使用したと同じカーボンペーストをドクターブレード法によりにガス拡散層12b、ガス拡散層13bの一方面に塗布して、それぞれ第2保護層12d、第2保護層13dを形成した。第2保護層12d、第2保護層13dの厚さが10μmになるようにした。
(Formation of second protective layer)
The same carbon paste used for the first protective layer was applied to one side of the gas diffusion layer 12b and the gas diffusion layer 13b by the doctor blade method to form the second protective layer 12d and the second protective layer 13d, respectively. The thicknesses of the second protective layer 12d and the second protective layer 13d were set to 10 μm.

(触媒ペーストの作製)
白金担持カーボンは、触媒である白金を担持したカーボン微小体(導電性微小体)である。白金担持カーボンとして田中貴金属工業株式会社製のTEC10E60E(白金担持濃度:55wt%)を用いた。白金担持カーボン12gと、5wt%濃度のイオン交換樹脂溶液(旭化成工業株式会社製、SS−1100)127gと、水23gと、成形助剤としてのイソプロピルアルコ−ル23gとを充分に混合し、酸化剤極用触媒ペーストを作製した。用いたイオン交換樹脂溶液は、イオン伝導性(プロトン伝導性)をもつ炭化フッ素系の電解質ポリマー(ガラス転移温度:120℃)を主要成分としており、これを液状媒体としての水とエタノールとの混合溶液に溶解または分散させたものである。具体的には、本実施例によれば、炭化フッ素系の電解質ポリマーは、パーフルオロスルホン酸を主成分としている。
(Preparation of catalyst paste)
The platinum-supporting carbon is a carbon minute body (conductive minute body) carrying platinum as a catalyst. TEC10E60E (platinum support concentration: 55 wt%) manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. was used as the platinum support carbon. 12 g of platinum-supporting carbon, 127 g of an ion exchange resin solution having a concentration of 5 wt% (SS-1100, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), 23 g of water, and 23 g of isopropyl alcohol as a molding aid are sufficiently mixed and oxidized. A catalyst paste for the agent electrode was prepared. The ion exchange resin solution used is mainly composed of a fluorocarbon electrolyte polymer (glass transition temperature: 120 ° C) with ion conductivity (proton conductivity), which is a mixture of water and ethanol as a liquid medium. It is dissolved or dispersed in a solution. Specifically, according to the present example, the fluorocarbon electrolyte polymer contains perfluorosulfonic acid as a main component.

また、白金担持カーボンの代わりに、白金(担持濃度30wt%)ルテニウム(担持濃度23wt%)合金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製、TEC61E54)を用いて燃料極用触媒ペーストを作製した。白金ルテニウム合金担持カーボンは、白金とルテニウムとを担持したカーボン微小体(導電性微小体)である。そして白金ルテニウム合金担持カーボンを用いた以外は酸化剤極用触媒ペーストと同じ方法によって、燃料極用触媒ペーストを作製した。   Further, a catalyst paste for a fuel electrode was prepared using platinum (supporting concentration 30 wt%), ruthenium (supporting concentration 23 wt%) alloy supporting carbon (TEC61E54, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) instead of platinum supporting carbon. The platinum-ruthenium alloy-supported carbon is a carbon minute body (conductive minute body) supporting platinum and ruthenium. Then, a fuel electrode catalyst paste was prepared by the same method as that for the oxidant electrode catalyst paste except that the platinum ruthenium alloy-supported carbon was used.

(触媒層の作製)
酸化剤極用触媒ペーストをドクターブレード法によりテトラフルオロエチレンシート(以下、PTFEシートと称する。)に白金担持量が0.6mg/cm になるように塗布し乾燥させて、PTFEシートに形成された酸化剤極用の触媒層13aを作製した。同様に、燃料極用触媒ペーストをドクターブレード法によりPTFEシートに白金担持量が0.6mg/cmになるように塗布し乾燥させて、PTFEシートに形成された燃料極用の触媒層12aを作製した。
(Production of catalyst layer)
The catalyst paste for the oxidant electrode is applied to a tetrafluoroethylene sheet (hereinafter referred to as PTFE sheet) by a doctor blade method so that the amount of platinum supported is 0.6 mg / cm 2 and dried to form a PTFE sheet. A catalyst layer 13a for the oxidant electrode was prepared. Similarly, a fuel electrode catalyst paste is applied to a PTFE sheet by a doctor blade method so that the amount of platinum supported is 0.6 mg / cm 2 and dried to form a fuel electrode catalyst layer 12a formed on the PTFE sheet. Produced.

(膜電極接合体の作製)
高分子電解質膜11として厚さ25μmのデュポン社製、Nafion111(商品名)を用いた。高分子電解質膜11の一方面に触媒層13aが当接するように触媒層13a付きPTFEシートを配置し、高分子電解質膜11の他方面に触媒層12aが当接するように触媒層12a付きPTFEシートを配置した。その後、両方のPTFEシートの外側から加圧し、温度120℃、圧力8MPa、時間1分間という条件でホットプレスし、高分子電解質膜11に触媒層12a、13aを転写し、PTFEシートを剥がして高分子電解質膜に触媒層12a、13aが接合された中間積層体と作製した。
(Production of membrane electrode assembly)
As the polymer electrolyte membrane 11, Nafion 111 (trade name) manufactured by DuPont having a thickness of 25 μm was used. A PTFE sheet with a catalyst layer 13a is arranged so that the catalyst layer 13a abuts on one surface of the polymer electrolyte membrane 11, and a PTFE sheet with a catalyst layer 12a so that the catalyst layer 12a abuts on the other surface of the polymer electrolyte membrane 11 Arranged. Thereafter, pressure is applied from the outside of both PTFE sheets, hot pressing is performed under the conditions of a temperature of 120 ° C., a pressure of 8 MPa, and a time of 1 minute, the catalyst layers 12a and 13a are transferred to the polymer electrolyte membrane 11, and the PTFE sheets are peeled off. An intermediate laminate was produced in which the catalyst layers 12a and 13a were joined to the molecular electrolyte membrane.

次に、中間積層体の触媒層12aに第2保護層12dが当接するように保護層付きガス拡散層12bを配置した。また中間積層体の触媒層13aに第2保護層13dが当接するように保護層付きガス拡散層13bを配置した。その後、ガス拡散層12b、13bの外側から加圧し、温度140℃、圧力8MPa、時間3分間という条件でホットプレスし、膜電極接合体10を作製した。   Next, the gas diffusion layer 12b with a protective layer was disposed so that the second protective layer 12d was in contact with the catalyst layer 12a of the intermediate laminate. A gas diffusion layer 13b with a protective layer was arranged so that the second protective layer 13d was in contact with the catalyst layer 13a of the intermediate laminate. Thereafter, pressure was applied from the outside of the gas diffusion layers 12b and 13b, and hot pressing was performed under the conditions of a temperature of 140 ° C., a pressure of 8 MPa, and a time of 3 minutes, and the membrane electrode assembly 10 was produced.

(性能評価)
作製した膜電極接合体10を用いて発電性能試験、クロスリーク試験を行った。
(Performance evaluation)
A power generation performance test and a cross leak test were performed using the produced membrane electrode assembly 10.

図5は発電性能試験に使用した単セルの断面図である。燃料極12にセパレータ5が当接し、酸化剤極13にセパレータ4が当接するように膜電極接合体10をセパレータ4とセパレータ5で挟んで単セル100を作製した。セパレータ4には酸化剤ガス供給口4a、酸化剤ガス通流溝4b、酸化剤ガス排出口4cが設けられている。セパレータ5には燃料ガス供給口5a、燃料ガス通流溝5b、燃料ガス排出口5cが設けられている。酸化剤ガス供給口4aより酸化剤ガス通流溝4bを介して酸化剤極1に2.5atmの空気を、燃料ガス供給口5aより燃料ガス通流溝5bを介して燃料極2に2.5atmの水素を供給した。水分の加湿はバブリング法により空気および水素ともに加湿して行った。セパレータ4とセパレータ5の電気端子から発電した電気を取り出し、外部の可変抵抗6で抵抗を変えて電流密度0.5A/cmで単セル100の単セル電圧を測定した。測定は、運転時間1000時間まで行って耐久性を評価した。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a single cell used in the power generation performance test. A single cell 100 was fabricated by sandwiching the membrane electrode assembly 10 between the separator 4 and the separator 5 so that the separator 5 was in contact with the fuel electrode 12 and the separator 4 was in contact with the oxidant electrode 13. The separator 4 is provided with an oxidant gas supply port 4a, an oxidant gas flow groove 4b, and an oxidant gas discharge port 4c. The separator 5 is provided with a fuel gas supply port 5a, a fuel gas flow groove 5b, and a fuel gas discharge port 5c. 1. 2.5 atm of air from the oxidant gas supply port 4a to the oxidant electrode 1 through the oxidant gas flow groove 4b, and 2. from the fuel gas supply port 5a to the fuel electrode 2 through the fuel gas flow groove 5b. 5 atm of hydrogen was supplied. Moisture humidification was performed by humidifying both air and hydrogen by a bubbling method. Electricity generated from the electric terminals of the separator 4 and the separator 5 was taken out, the resistance was changed by the external variable resistor 6, and the single cell voltage of the single cell 100 was measured at a current density of 0.5 A / cm 2 . The measurement was performed up to 1000 hours of operation time to evaluate the durability.

クロスリーク試験は以下のように行った。上記の発電性能試験時の運転時間300時間、500時間、1000時間経過後に発電を停止し、酸化剤ガス通流溝4bと燃料ガス通流溝5bに窒素ガスを流してパージした。次に燃料ガス通流溝5bに窒素ガスを供給して圧力を20kPa(ゲージ圧)として封止し、酸化剤ガス通流溝4bは大気開放とした。1分後の燃料ガス通流溝5bの圧力を測定し、両電極間の差圧を測定した。   The cross leak test was performed as follows. Power generation was stopped after 300 hours, 500 hours, and 1000 hours of operation time during the power generation performance test, and purged by flowing nitrogen gas through the oxidant gas flow groove 4b and the fuel gas flow groove 5b. Next, nitrogen gas was supplied to the fuel gas flow groove 5b and sealed at a pressure of 20 kPa (gauge pressure), and the oxidant gas flow groove 4b was opened to the atmosphere. The pressure in the fuel gas flow groove 5b after 1 minute was measured, and the differential pressure between both electrodes was measured.

第2保護層13dの厚さが30μmになるようにした以外は実施例1と同様にして膜電極接合体10を作製した。性能評価も実施例1と同じ方法で行った。   A membrane / electrode assembly 10 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the second protective layer 13d was 30 μm. The performance evaluation was also performed in the same manner as in Example 1.

第2保護層13dの厚さが50μmになるようにした以外は実施例1と同様にして膜電極接合体10を作製した。性能評価も実施例1と同じ方法で行った。   A membrane / electrode assembly 10 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the second protective layer 13d was 50 μm. The performance evaluation was also performed in the same manner as in Example 1.

比較例1Comparative Example 1

第1保護層を設けなかった以外は実施例1と同様にして膜電極接合体を作製した。第2保護層の厚さは10μmである。実施例1と同じ方法で性能評価した。   A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the first protective layer was not provided. The thickness of the second protective layer is 10 μm. The performance was evaluated in the same manner as in Example 1.

比較例2Comparative Example 2

第1保護層を設けなかった以外は実施例2と同様にして膜電極接合体を作製した。第2保護層の厚さは30μmである。実施例1と同じ方法で性能評価した。   A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 2 except that the first protective layer was not provided. The thickness of the second protective layer is 30 μm. The performance was evaluated in the same manner as in Example 1.

比較例3Comparative Example 3

第1保護層を設けなかった以外は実施例3と同様にして膜電極接合体を作製した。第2保護層の厚さは50μmである。実施例1と同じ方法で性能評価した。   A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 3 except that the first protective layer was not provided. The thickness of the second protective layer is 50 μm. The performance was evaluated in the same manner as in Example 1.

比較例4Comparative Example 4

第1保護層、第2保護層を設けなかった以外は実施例1と同様にして膜電極接合体を作製した。この膜電極接合体は図7で説明したものに相当する。実施例1と同じ方法で性能評価した。   A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the first protective layer and the second protective layer were not provided. This membrane electrode assembly corresponds to that described in FIG. The performance was evaluated in the same manner as in Example 1.

(評価結果)
図6は発電性能試験結果を示すグラフ図である。第1保護層を設けた実施例1〜3は、第2保護層の厚さが同じ対応する比較例1〜3に比べて出力の低下が少ない。表1はクロスリーク試験の結果を示している。クロスリーク試験において、両電極間の差圧が低いほどリークが多いことを表している。第1保護層を設けた実施例1〜3は、第2保護層の厚さが同じ対応する比較例1〜3に比べて差圧の低下が少ない。比較例4の場合、発電性能の低下が著しく、かつクロスリークも大幅に多くなり、運転時間500hより長い運転はできなかった。

Figure 2006114397
(Evaluation results)
FIG. 6 is a graph showing the results of the power generation performance test. In Examples 1 to 3 provided with the first protective layer, the decrease in output is less than that of the corresponding Comparative Examples 1 to 3 in which the thickness of the second protective layer is the same. Table 1 shows the results of the cross leak test. In the cross leak test, the lower the differential pressure between both electrodes, the greater the leak. In Examples 1 to 3 provided with the first protective layer, the decrease in the differential pressure is smaller than in the corresponding Comparative Examples 1 to 3 in which the thickness of the second protective layer is the same. In the case of Comparative Example 4, the power generation performance was remarkably reduced, the cross leak was greatly increased, and the operation longer than the operation time of 500 h could not be performed.
Figure 2006114397

これらの結果は、第1保護層を設けることにより燃料電池発電性能の耐久性が向上できることを示している。特に第2保護層の厚さを30μm以上とした実施例2、3の場合、1000時間運転後も発電性能は低下せず、クロスリークもない。その理由は、ガス拡散層の端面のカーボン繊維による高分子電解質膜突き刺しを第1保護層が防止しているためと思われる。特に第2保護層を設け、その厚さを30μm以上とすることによりカーボン繊維による高分子電解質膜突き刺しをほとんど防止していると思われる。   These results indicate that the durability of the fuel cell power generation performance can be improved by providing the first protective layer. In particular, in Examples 2 and 3 in which the thickness of the second protective layer is 30 μm or more, the power generation performance does not deteriorate after 1000 hours of operation, and there is no cross leak. The reason seems to be that the first protective layer prevents the polymer electrolyte membrane from being pierced by the carbon fibers on the end face of the gas diffusion layer. In particular, it is considered that the second protective layer is provided and the thickness thereof is 30 μm or more, so that the polymer electrolyte membrane piercing by the carbon fiber is almost prevented.

第1実施形態の膜電極接合体を説明する説明図Explanatory drawing explaining the membrane electrode assembly of 1st Embodiment 第2実施形態の膜電極接合体を説明する説明図Explanatory drawing explaining the membrane electrode assembly of 2nd Embodiment 第3実施形態の膜電極接合体を説明する説明図Explanatory drawing explaining the membrane electrode assembly of 3rd Embodiment 第4実施形態の膜電極接合体を説明する説明図Explanatory drawing explaining the membrane electrode assembly of 4th Embodiment 発電性能試験に使用した単セルの断面図Cross section of single cell used for power generation performance test 発電性能試験結果を示すグラフ図Graph diagram showing power generation performance test results 一般的な膜電極接合体の説明断面図Cross-sectional view of a general membrane electrode assembly

符号の説明Explanation of symbols

10、20、30、40…膜電極接合体
11、21、31、41…高分子電解質膜
12、22、32、42…燃料極
12a、22a、32a、42a…触媒層(燃料極用)
12b、22b、32b、42b…ガス拡散層(燃料極用)
12c、22c、32c1…第1保護層(燃料極用)
12d、22d、32c2…第2保護層(燃料極用)
13、23、33、43…酸化剤極
13a、23a、33a、43a…触媒層(酸化剤極用)
13b、23b、33b、43b…ガス拡散層(酸化剤極用)
13c、23c、33c1…第1保護層(酸化剤極用)
13d、23d、33c2…第2保護層(酸化剤極用)
32c…保護層(燃料極用)
33c…保護層(酸化剤極用)
44…第3保護層
10, 20, 30, 40 ... Membrane electrode assembly 11, 21, 31, 41 ... Polymer electrolyte membrane 12, 22, 32, 42 ... Fuel electrode 12a, 22a, 32a, 42a ... Catalyst layer (for fuel electrode)
12b, 22b, 32b, 42b ... Gas diffusion layer (for fuel electrode)
12c, 22c, 32c1 ... 1st protective layer (for fuel electrodes)
12d, 22d, 32c2 ... second protective layer (for fuel electrode)
13, 23, 33, 43 ... oxidant electrode 13a, 23a, 33a, 43a ... catalyst layer (for oxidant electrode)
13b, 23b, 33b, 43b ... Gas diffusion layer (for oxidant electrode)
13c, 23c, 33c1... First protective layer (for oxidant electrode)
13d, 23d, 33c2 ... second protective layer (for oxidant electrode)
32c ... Protective layer (for fuel electrode)
33c ... Protective layer (for oxidant electrode)
44. Third protective layer

Claims (5)

燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とからなる一対の電極によってイオン伝導性を有する高分子電解質膜を挟持した膜電極接合体であって、
前記燃料極、前記酸化剤極の少なくとも一方は繊維状導電体を含むガス拡散層と触媒を含む触媒層が設けられ、前記高分子電解質膜の面方向の外形寸法は前記電極の面方向の外径寸法より大きく、前記ガス拡散層の端面から突出する繊維状導電体が前記高分子電解質膜に突き刺さることを防止する保護手段が設けられていることを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane having ionic conductivity is sandwiched between a pair of electrodes consisting of a fuel electrode supplied with fuel and an oxidant electrode supplied with an oxidant,
At least one of the fuel electrode and the oxidant electrode is provided with a gas diffusion layer containing a fibrous conductor and a catalyst layer containing a catalyst, and the outer dimension in the surface direction of the polymer electrolyte membrane is outside the surface direction of the electrode. A membrane electrode assembly, wherein a protective means for preventing a fibrous conductor larger than the diameter size and protruding from an end face of the gas diffusion layer from being pierced into the polymer electrolyte membrane is provided.
前記保護手段が、前記ガス拡散層の端面を覆う第1保護層であることを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the protection means is a first protection layer covering an end surface of the gas diffusion layer. 前記ガス拡散層と前記触媒層の間に、前記ガス拡散層の繊維状導電体が前記高分子電解質膜に突き刺さることを防止する第2保護層が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の膜電極接合体。 2. A second protective layer is provided between the gas diffusion layer and the catalyst layer to prevent the fibrous conductor of the gas diffusion layer from piercing the polymer electrolyte membrane. Or the membrane electrode assembly of Claim 2. 前記第1保護層、前記第2保護層の少なくとも一方の成分としてカーボン粒子と高分子電解質が含まれていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein carbon particles and a polymer electrolyte are contained as at least one component of the first protective layer and the second protective layer. 請求項1〜4に記載の膜電極接合体を使用していることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell using the membrane electrode assembly according to claim 1.
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