JP2006004916A - Mea for fuel cell and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に固体高分子電解質型燃料電池の電極触媒層に関するものである。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to an electrode catalyst layer of a solid polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は、水素(燃料)と酸素とを電気化学的に反応させることにより発電させるシステムである。この反応による生成物は原理的に水であることから環境への負荷が少なく、中でも固体高分子電解質型燃料電池は、固体酸化物型、溶融炭酸塩型、リン酸型といった他の燃料電池と比較して低温で作動可能であることから、自動車等の移動体動力源として期待され開発が進められている。 A fuel cell is a system that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen (fuel) with oxygen. Since the product of this reaction is water in principle, there is little impact on the environment. Among them, solid polymer electrolyte fuel cells are different from other fuel cells such as solid oxide type, molten carbonate type, and phosphoric acid type. Since it can operate at a low temperature, it is expected to be used as a power source for moving vehicles such as automobiles, and is being developed.
固体高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜、及びその膜を挟んで2つの電極、すなわち、水素が供給されるアノードと酸素が供給されるカソードが配置されている基本構成であり、これを膜−電極接合体(MEA)と呼んでいる。その電極は、導電性カーボンに触媒を担持させた触媒担持カーボンと水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質との混合物により形成された多孔性のものであり、触媒層とも呼ばれている。 A solid polymer electrolyte fuel cell includes a solid polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, and two electrodes sandwiching the membrane, that is, an anode to which hydrogen is supplied and a cathode to which oxygen is supplied. This is a basic configuration that is called a membrane-electrode assembly (MEA). The electrode is a porous electrode formed of a mixture of a catalyst-supporting carbon in which a catalyst is supported on conductive carbon and a solid polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and is also referred to as a catalyst layer.
かようなMEAでは、下記化学式に示すように、アノードでは燃料の水素含有ガスを酸化して水素イオンに変える水素の酸化反応、カソードでは酸化剤ガスに含まれる酸素を還元して固体高分子電解質膜を通ってきた水素イオンと結びつき水となる酸素の還元反応が起こる。固体高分子電解質型燃料電池は、かような化学反応により得られた反応エネルギーから電気エネルギーを直接得るものである。 In such an MEA, as shown in the following chemical formula, an oxidation reaction of hydrogen that converts a hydrogen-containing gas of a fuel into hydrogen ions at an anode and an oxygen contained in an oxidant gas are reduced at a cathode to reduce a solid polymer electrolyte. A reduction reaction of oxygen, which is combined with hydrogen ions that have passed through the membrane, becomes water. A solid polymer electrolyte fuel cell directly obtains electric energy from reaction energy obtained by such a chemical reaction.
上記化学反応は、触媒層中の、触媒、固体高分子電解質、反応ガスが存在する三相界面上で起こる。したがって、三相界面においては、触媒と固体高分子電解質を如何に適切な状態にして反応サイトを増大させるか、ということが極めて重要である。これを実現する手法としては、例えば、特許文献1または特許文献2などに記載されているように、触媒担持カーボンと固体高分子電解質溶液を混合してインク状にし、これを塗布後乾燥させて触媒層を形成する、という手法がとられている。この手法によれば、触媒と固体高分子電解質とを所望の分散状態とし、電極構造を最適化することによって、できる限り少ない触媒量とすることを図っている。
固体高分子電解質型燃料電池において、固体高分子電解質膜と並んで重要な材料である触媒は、カソード、アノードともに、白金をはじめとする高価な貴金属が使用されている。そのため、触媒量の低減は、製造コストなどの削減に繋がり、固体高分子電解質型燃料電池を普及させていく上で必要不可欠なことである。 In a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst that is an important material along with the solid polymer electrolyte membrane uses an expensive noble metal such as platinum for both the cathode and the anode. Therefore, reduction of the catalyst amount leads to reduction of manufacturing costs and the like, and is indispensable for spreading the solid polymer electrolyte fuel cells.
そこで本発明は、燃料電池用MEAの性能の低下を生じさせることなく、白金などの高価な貴金属を含む触媒の使用量をさらに低減させることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to further reduce the amount of a catalyst containing an expensive noble metal such as platinum without causing a decrease in the performance of the MEA for fuel cells.
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、アノード触媒層およびカソード触媒層のそれぞれに含まれる触媒量を適切に設定することにより上記課題が解決されることを見出した。 As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor has found that the above problems can be solved by appropriately setting the amount of catalyst contained in each of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.
すなわち、本発明は、導電性カーボンに触媒が担持されてなる触媒担持カーボンと固体高分子電解質とを含むカソード触媒層およびアノード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置されてなる燃料電池用MEAにおいて、
前記カソード触媒層に対する前記アノード触媒層の厚さの比が0.7〜1.3であり、
前記カソード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量に対して、前記アノード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量が、質量比で1/2以下である、
ことを特徴とする燃料電池用MEAにより上記課題を解決する。
That is, in the present invention, a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer containing a catalyst-supported carbon in which a catalyst is supported on conductive carbon and a solid polymer electrolyte are disposed opposite to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. In the fuel cell MEA,
A ratio of the thickness of the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer is 0.7 to 1.3;
The mass of the catalyst per unit area of the anode catalyst layer with respect to the mass of the catalyst per unit area of the cathode catalyst layer is 1/2 or less by mass ratio.
This problem is solved by the MEA for fuel cells.
本発明によれば、白金をはじめとした高価な触媒の使用量を低減しても、性能が低下することの無い、燃料電池用MEAを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it reduces the usage-amount of expensive catalysts, such as platinum, MEA for fuel cells which does not fall in performance can be provided.
本発明の第一は、導電性カーボンに触媒が担持されてなる触媒担持カーボンと固体高分子電解質とを少なくとも含むカソード触媒層およびアノード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置されてなる燃料電池用MEAにおいて、
前記カソード触媒層に対する前記アノード触媒層の厚さの比が0.7〜1.3であり、
前記カソード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量に対して、前記アノード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量が、質量比で1/2以下である、
ことを特徴とする燃料電池用MEA(以下、単に「MEA」とも記載する)である。
In the first aspect of the present invention, a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer including at least a catalyst-supported carbon in which a catalyst is supported on conductive carbon and a solid polymer electrolyte are disposed opposite to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. In the fuel cell MEA,
A ratio of the thickness of the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer is 0.7 to 1.3;
The mass of the catalyst per unit area of the anode catalyst layer with respect to the mass of the catalyst per unit area of the cathode catalyst layer is 1/2 or less by mass ratio.
A fuel cell MEA (hereinafter also simply referred to as “MEA”).
MEAにおいて発電のための化学反応として、アノード触媒層における水素の酸化反応は、カソード触媒層における酸素の還元反応よりも活性化過電圧が小さいことから、本発明者は、MEAの触媒量の低減にあたって、アノード触媒層の触媒量を低減させることに着目し、鋭意研究を行った。 As a chemical reaction for power generation in the MEA, the hydrogen oxidation reaction in the anode catalyst layer has a smaller activation overvoltage than the oxygen reduction reaction in the cathode catalyst layer. The research was conducted with a focus on reducing the amount of catalyst in the anode catalyst layer.
ここで、触媒の含有率を減らさずに、単にアノード側の触媒層の質量を減らすことによりMEA全体の触媒使用量の低減をしようとすると、触媒層の厚みがアノードとカソードとで変わりバランスが崩れ触媒層部分にたわみが生じる場合がある。これは、MEAをセルに組み込むときに不都合があるだけでなく、触媒層とセパレータとの接触度合いが低下するなどして、得られるMEAの性能低下を招く恐れがある。加えて、アノード触媒層の厚みを薄くしたときには水の不足のよる性能低下も懸念される。そのため、MEAにおける触媒量を十分に低減させることが困難である。 Here, if it is attempted to reduce the amount of catalyst used in the entire MEA by simply reducing the mass of the catalyst layer on the anode side without reducing the catalyst content, the thickness of the catalyst layer changes between the anode and the cathode and there is a balance. The collapsed catalyst layer part may be bent. This is not only inconvenient when the MEA is incorporated into the cell, but also has a risk of degrading the performance of the resulting MEA due to a decrease in the degree of contact between the catalyst layer and the separator. In addition, when the thickness of the anode catalyst layer is reduced, there is a concern about performance deterioration due to lack of water. Therefore, it is difficult to sufficiently reduce the amount of catalyst in MEA.
しかしながら、本発明では、アノード触媒層とカソード触媒層との厚さのバランスを規定の範囲内としつつアノード触媒層における触媒の使用量を低減させることにより、MEAの性能を低下させることなく触媒の使用量を減らすことができることが判明した。これにより、MEAの製造コストの削減などが図れるのである。 However, in the present invention, by reducing the amount of catalyst used in the anode catalyst layer while keeping the balance of the thickness of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer within the specified range, the catalyst performance can be reduced without degrading the MEA performance. It has been found that the amount used can be reduced. As a result, the manufacturing cost of MEA can be reduced.
以下、本発明のMEAについて、より詳細に説明する。 Hereinafter, the MEA of the present invention will be described in more detail.
本発明のMEAの基本的な構成は、上述した通り、カソード触媒層およびアノード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置された構成を有する。また、カソード側およびアノード側のそれぞれに用いられる触媒層は、導電性カーボンに触媒が担持されてなる触媒担持カーボンと、固体高分子電解質と、を含む。 As described above, the basic configuration of the MEA of the present invention has a configuration in which the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are disposed to face both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. The catalyst layer used on each of the cathode side and the anode side includes a catalyst-supporting carbon in which a catalyst is supported on conductive carbon, and a solid polymer electrolyte.
本発明のMEAにおいて、前記カソード触媒層に対する前記アノード触媒層の厚さの比は、0.7〜1.3、好ましくは0.75〜1.25、より好ましくは0.8〜1.2とする。前記厚さの比が、0.7未満であるとMEAにおいて触媒層にたわみを生じる恐れがあり、1.3を超えるとアノード触媒層における触媒使用量を十分に低減できない恐れがある。 In the MEA of the present invention, the ratio of the thickness of the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer is 0.7 to 1.3, preferably 0.75 to 1.25, more preferably 0.8 to 1.2. And If the thickness ratio is less than 0.7, the MEA may bend in the catalyst layer, and if it exceeds 1.3, the amount of catalyst used in the anode catalyst layer may not be sufficiently reduced.
加えて、前記MEAにおいて、前記カソード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量に対して、前記アノード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量が、質量比で1/2以下とする。これにより、MEAの発電性能を低下させることなく触媒使用量を低減させることができる。 In addition, in the MEA, the mass of the catalyst per unit area of the anode catalyst layer is ½ or less with respect to the mass of the catalyst per unit area of the cathode catalyst layer. Thereby, the amount of catalyst used can be reduced without reducing the power generation performance of the MEA.
ここで、「単位面積当たり」における面積とは、触媒層の固体高分子電解質膜と接触する面の面積を意味する。従って、本発明において「単位面積当たりの触媒の質量」とは、触媒層に含まれる触媒量(g)を、固体高分子電解質膜上の触媒層の面積(cm2)で除した値とする。 Here, the area in “per unit area” means the area of the surface of the catalyst layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, in the present invention, the “mass of catalyst per unit area” is a value obtained by dividing the catalyst amount (g) contained in the catalyst layer by the area (cm 2 ) of the catalyst layer on the solid polymer electrolyte membrane. .
本発明のMEAにおいて、各触媒層における単位面積当たりの触媒の質量を上述の通りに調整するには、好ましくは、前記アノード触媒層における前記触媒担持カーボン中の前記触媒の含有率を、前記カソード触媒層における前記触媒担持カーボン中の前記触媒の含有率より小さくする。これにより、アノード触媒層に含まれる触媒含有量を低減させつつ、アノード触媒層の厚さを所定の範囲内に調整することができる。 In the MEA of the present invention, in order to adjust the mass of the catalyst per unit area in each catalyst layer as described above, preferably, the content of the catalyst in the catalyst-supported carbon in the anode catalyst layer is set to the cathode. The content of the catalyst in the catalyst-supporting carbon in the catalyst layer is set to be smaller. Thereby, the thickness of the anode catalyst layer can be adjusted within a predetermined range while reducing the catalyst content contained in the anode catalyst layer.
具体的には、アノード触媒層における触媒担持カーボン中の触媒の含有率は、好ましくは8重量%以上35重量%以下、より好ましくは25重量%以上35重量%以下とする。前記含有率は、電極反応活性の点から8重量%以上であることが好ましく、触媒量低減の観点から35重量%以下であることが好ましい。 Specifically, the catalyst content in the catalyst-supported carbon in the anode catalyst layer is preferably 8% by weight to 35% by weight, more preferably 25% by weight to 35% by weight. The content is preferably 8% by weight or more from the viewpoint of electrode reaction activity, and preferably 35% by weight or less from the viewpoint of reducing the amount of catalyst.
カソード触媒層における触媒担持カーボン中の触媒の含有率は、好ましくは35重量%を超え70重量%以下、より好ましくは40重量%以上60重量%以下とする。前記含有率は、電極反応活性の点から35重量%を超えることが好ましく、触媒分散性の観点から70重量%以下であることが好ましい。 The catalyst content in the catalyst-supported carbon in the cathode catalyst layer is preferably more than 35% by weight and 70% by weight or less, more preferably 40% by weight or more and 60% by weight or less. The content is preferably more than 35% by weight from the viewpoint of electrode reaction activity, and preferably 70% by weight or less from the viewpoint of catalyst dispersibility.
触媒担持カーボンにおける触媒の含有率は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定することができる。 The catalyst content in the catalyst-supported carbon can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
また、本発明のMEAにおいて、各触媒層における単位面積当たりの触媒の質量を上述の通りに調整するには、アノード触媒層に触媒が担持されていない導電性カーボンを添加することによっても行える。これによっても、アノード触媒層に含まれる触媒含有量を低減させつつ、アノード触媒層の厚さを所定の範囲内に調整することができる。 In the MEA of the present invention, the mass of the catalyst per unit area in each catalyst layer can be adjusted as described above by adding conductive carbon on which no catalyst is supported on the anode catalyst layer. This also makes it possible to adjust the thickness of the anode catalyst layer within a predetermined range while reducing the catalyst content contained in the anode catalyst layer.
前記触媒が担持されていない導電性カーボンは、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。 The conductive carbon on which the catalyst is not supported may be any carbon having sufficient electronic conductivity as a current collector, and the main component is preferably carbon.
なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by weight or less is allowed.
前記導電性カーボンとして、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などのカーボン粒子が挙げられる。前記カーボン粒子の大きさは、特に限定されないが、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するという観点からは、平均一次粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度のものを用いるのがよい。 Specific examples of the conductive carbon include carbon particles such as carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite. The size of the carbon particles is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average primary particle diameter is 5 to 200 nm, preferably about 10 to 100 nm. Good.
なかでも、前記導電性カーボンは、電子伝導性に優れることから、カーボンブラックを用いるのが好ましい。前記カーボンブラックとしては、ケッチェンブラックEC、ケッチェンブラックEC600JD、バルカンXC72R、ブラックパール2000からなる群より選択される少なくとも一種が好ましく挙げられる。 Especially, since the said conductive carbon is excellent in electronic conductivity, it is preferable to use carbon black. The carbon black is preferably at least one selected from the group consisting of ketjen black EC, ketjen black EC600JD, Vulcan XC72R, and black pearl 2000.
前記触媒が担持されていない導電性カーボンとして、より好ましくは、前記カーボンブラックを熱処理したものを用いる。これにより、電子伝導性だけでなく耐食性にも優れる導電性カーボンが得られる。前記熱処理したカーボンブラックは、ラマンスペルトルから得られたGバンドの半値幅が、好ましくは55cm−1以下、より好ましくは52cm−1以下、特に好ましくは49cm−1以下のものを用いる。導電性カーボンの結晶性は、高いほどグラファイト構造に似た三次元的結晶格子が形成される。Gバンドの半値幅が小さいほど、結晶性が高く耐食性に優れ、不純物の少ないカーボンが得られる。 More preferably, the carbon black heat-treated is used as the conductive carbon on which the catalyst is not supported. Thereby, the conductive carbon which is excellent in not only electronic conductivity but corrosion resistance is obtained. The heat-treated carbon black has a G band obtained from Raman spectrum of preferably 55 cm −1 or less, more preferably 52 cm −1 or less, particularly preferably 49 cm −1 or less. As the crystallinity of the conductive carbon increases, a three-dimensional crystal lattice resembling a graphite structure is formed. The smaller the full width at half maximum of the G band, the higher the crystallinity, the better the corrosion resistance, and the less impurity carbon.
ここで、ラマンスペクトルとは、ラマン効果によって散射された光について、どの波長の光がどの程度の強さで散射されたかを示すスペクトルである。本発明においては、ラマンスペクトルは、波数(cm−1)を一方の軸、強度を他方の軸として表したスペクトルを用いて、Gバンドの半値幅が算出されうる。「Gバンド」とは、カーボン粒子のラマン測定により得られたスペクトルにおける1580cm−1付近に現れるカーボンの結晶性
を示すピークを指す。また、「半値幅」とは、所定の吸収帯の分布状態を判断するために用いられる値であり、吸収帯のピーク高さの2分の1の高さにおける吸収帯の広がり幅をいう。
Here, the Raman spectrum is a spectrum indicating which light of which wavelength is scattered with what intensity with respect to the light scattered by the Raman effect. In the present invention, the half-width of the G band can be calculated using a spectrum in which the wave number (cm −1 ) is represented as one axis and the intensity is represented as the other axis. The “G band” refers to a peak indicating the crystallinity of carbon that appears in the vicinity of 1580 cm −1 in a spectrum obtained by Raman measurement of carbon particles. Further, the “half-value width” is a value used for determining the distribution state of a predetermined absorption band, and refers to the spread width of the absorption band at a half height of the peak height of the absorption band.
本発明において、導電性カーボンのラマン測定は、公知のラマン分光測定装置を用いて測定されうる。ラマン分光測定装置は、Gバンドが、一定の再現性を持って測定されうるのであれば、特に限定されない。ただし、ラマン分光測定装置によって、Gバンドの形状や位置が異なる場合には、後述する実施例に記載の方法で測定されたラマンスペクトルが基準スペクトルとして用いられるものとする。 In the present invention, the Raman measurement of conductive carbon can be performed using a known Raman spectrometer. The Raman spectrometer is not particularly limited as long as the G band can be measured with a certain reproducibility. However, when the shape and position of the G band differ depending on the Raman spectroscopic measurement device, the Raman spectrum measured by the method described in the examples described later is used as the reference spectrum.
なお、Gバンド近辺に他の吸収帯が存在し、Gバンドと接合しているために半値幅がスペクトルからは一見したところ判断できない場合、通常は、ラマン分光測定装置に付随する解析プログラムによって半値幅が決定されうる。例えば、Gバンドのピークが含まれている領域に直線のベースラインを引き、Lorentz波形のカーブフィットを実施し、Gバンドのピーク分離を行う処理によって、半値幅が決定される。 If there is another absorption band in the vicinity of the G band and the half-value width cannot be determined from the spectrum at first glance because it is bonded to the G band, the half-width is usually reduced by an analysis program attached to the Raman spectrometer. The price range can be determined. For example, a half-width is determined by a process of drawing a straight base line in an area including a G-band peak, performing a Lorentz waveform curve fit, and performing G-band peak separation.
Gバンドの半値幅が55cm−1以下の熱処理されてなるカーボンブラックは、上述したカーボンブラックを1500〜3000℃程度の高温で熱処理することにより得られる。また、熱処理時間としては、特に制限されないが1〜10時間程度で十分である。 Carbon black formed by heat treatment with a G band half width of 55 cm −1 or less is obtained by heat-treating the above-described carbon black at a high temperature of about 1500 to 3000 ° C. The heat treatment time is not particularly limited, but about 1 to 10 hours is sufficient.
前記触媒が担持されていない導電性カーボンとしては、アセチレンブラックなど、アセチレンを原料として製造したカーボンブラックを用いることもできる。アセチレンブラックなどはアセチレンの熱分解によって製造されるが、原料であるアセチレンの純度が高い(99%以上)ことや、分解生成時に高温になることから、粒子の微結晶構造が黒鉛状に発達し、炭素分が他のカーボンブラックと比較して高い(99.5%以上)、と言われている。したがって、耐食性に優れ、導電性カーボンとして好適である。アセチレンを原料として製造したカーボンブラックは、耐食性の観点からは、ラマンスペルトルから得られたGバンドの半値幅が、好ましくは55cm−1以下、より好ましくは52cm−1以下、特に好ましくは49cm−1以下のものを用いる。 As the conductive carbon on which the catalyst is not supported, carbon black produced using acetylene as a raw material, such as acetylene black, can also be used. Acetylene black and the like are produced by thermal decomposition of acetylene, but because the purity of acetylene, which is a raw material, is high (99% or more) and because of high temperature during decomposition, the microcrystalline structure of the particles develops into a graphite shape. It is said that the carbon content is high (99.5% or more) compared to other carbon blacks. Therefore, it has excellent corrosion resistance and is suitable as conductive carbon. From the viewpoint of corrosion resistance, the carbon black produced using acetylene as a raw material has a half-width of the G band obtained from Raman spectrum of preferably 55 cm −1 or less, more preferably 52 cm −1 or less, particularly preferably 49 cm −. 1 or less is used.
触媒が担持されていない導電性カーボンとして上述したものの他に、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバーからなる群より選択される少なくとも1種が好ましく用いられる。これらは、カーボンブラックよりも黒鉛化度が高いことから耐食性に優れ、MEAの耐久性を向上させることができる。 In addition to the above-described conductive carbon on which no catalyst is supported, at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon nanofibers is preferably used. Since these have a higher degree of graphitization than carbon black, they are excellent in corrosion resistance and can improve the durability of MEA.
なお、前記アノード触媒層に用いられる触媒が担持されていない導電性カーボンは、上記したもののうち、一種類のみを単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよく、所望する特性を有するMEAが得られるように適宜決定して用いればよい。 In addition, as for the conductive carbon on which the catalyst used for the anode catalyst layer is not supported, only one kind of those described above may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used as desired. What is necessary is just to determine suitably and use so that MEA which has a characteristic may be obtained.
前記アノード触媒層において、上述した触媒が担持されていない導電性カーボンの含有量は、前記アノード触媒層に含まれる導電性カーボンの総質量(前記アノード触媒層に含まれる触媒担持カーボンにおける導電性カーボンおよび触媒が担持されていない導電性カーボンの総質量)に対して、好ましくは5〜80重量%、より好ましくは10〜75重量%とする。これにより、アノード触媒層とカソード触媒層の厚さのバランスを所望の値に調整するのが容易となる。 In the anode catalyst layer, the content of the conductive carbon on which the catalyst is not supported is the total mass of the conductive carbon contained in the anode catalyst layer (the conductive carbon in the catalyst-supported carbon contained in the anode catalyst layer). And the total mass of conductive carbon on which no catalyst is supported) is preferably 5 to 80% by weight, more preferably 10 to 75% by weight. Thereby, it becomes easy to adjust the balance of the thickness of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer to a desired value.
本発明のMEAは、アノードおよびカソードにおける各触媒層で触媒含有率が異なることから、各触媒層に含まれる固体高分子電解質量も適切にする必要がある。触媒層において、固体高分子電解質量が少なすぎる場合、電極反応が進行する三相界面の形成が不十分となる恐れがある、多すぎる場合はガスが拡散するための空孔の閉塞、空孔に水がたまりやすくなる等の恐れがあり、性能へ悪影響を与えてしまう。 In the MEA of the present invention, the catalyst content is different in each catalyst layer in the anode and the cathode, so the solid polymer electrolysis mass contained in each catalyst layer also needs to be appropriate. In the catalyst layer, if the solid polymer electrolysis mass is too small, there is a risk that the formation of a three-phase interface where the electrode reaction proceeds may be insufficient. There is a risk that water will easily accumulate, and this will adversely affect performance.
これらを考慮して、アノード触媒層における固体高分子電解質の質量が、アノード触媒層に含まれる導電性カーボンの総質量(前記アノード触媒層に含まれる触媒担持カーボンにおける導電性カーボンおよび触媒が担持されていない導電性カーボンの総質量)1に対して0.4〜0.9、好ましくは0.6〜0.9とする。また、カソード触媒層における固体高分子電解質の質量が、カソード触媒層に含まれる導電性カーボンの総質量1に対して0.6〜1.2、好ましくは0.8〜1.2とする。 Considering these, the mass of the solid polymer electrolyte in the anode catalyst layer is the total mass of the conductive carbon contained in the anode catalyst layer (the conductive carbon and the catalyst in the catalyst-carrying carbon contained in the anode catalyst layer are supported). 0.4 to 0.9, preferably 0.6 to 0.9 with respect to 1) (total mass of conductive carbon that is not). The mass of the solid polymer electrolyte in the cathode catalyst layer is 0.6 to 1.2, preferably 0.8 to 1.2, based on the total mass 1 of conductive carbon contained in the cathode catalyst layer.
アノード触媒層において、上述した触媒が担持されていない導電性カーボンと同様な導電性カーボンを、前記アノード触媒層中の触媒担持カーボンにおける導電性カーボン中に好ましくは5重量%以上、より好ましくは10重量%以上含むのがよい。これにより、アノード触媒層における導電性カーボンの耐食性の向上や、アノード触媒層の電子伝導性の向上などが図れる。 In the anode catalyst layer, the conductive carbon similar to the conductive carbon on which the catalyst is not supported is preferably 5% by weight or more, more preferably 10% in the conductive carbon in the catalyst-supported carbon in the anode catalyst layer. It is good to contain by weight% or more. As a result, the corrosion resistance of the conductive carbon in the anode catalyst layer and the electron conductivity of the anode catalyst layer can be improved.
本発明のMEAにおいてアノードおよびカソードにおける各触媒層の厚さは、特に限定されないが、0.1〜100μm、好ましくは1〜20μmとするのがよい。触媒層の厚さが0.1μm未満であると所望する発電量が得られない恐れがあり、100μmを超えると高出力とすることができない恐れがある。 In the MEA of the present invention, the thickness of each catalyst layer in the anode and the cathode is not particularly limited, but is 0.1 to 100 μm, preferably 1 to 20 μm. If the thickness of the catalyst layer is less than 0.1 μm, the desired power generation amount may not be obtained, and if it exceeds 100 μm, it may not be possible to achieve high output.
本発明のMEAでは、カソード触媒層に、触媒が担持されていない導電性カーボンとして熱処理したカーボンブラックがさらに含まれていてもよい。熱処理したカーボンブラックは、親水性の官能基が減少しているため、疎水性に優れる。これにより、カソード触媒層の排水性を向上させ、ひいてはMEAの発電性能を向上させることができる。 In the MEA of the present invention, the cathode catalyst layer may further contain carbon black that has been heat-treated as conductive carbon on which no catalyst is supported. The heat-treated carbon black is excellent in hydrophobicity due to a decrease in hydrophilic functional groups. Thereby, the drainage property of the cathode catalyst layer can be improved, and consequently the power generation performance of the MEA can be improved.
前記熱処理したカーボンブラックに用いられるカーボンブラックとして具体的には、ケッチェンブラックEC、ケッチェンブラックEC600JD、バルカンXC72R、ブラックパール2000からなる群より選択される少なくとも一種が好ましく挙げられる。 Specifically, the carbon black used for the heat-treated carbon black is preferably at least one selected from the group consisting of ketjen black EC, ketjen black EC600JD, Vulcan XC72R, and black pearl 2000.
前記熱処理したカーボンブラックは、疎水性に優れるという観点から、ラマンスペクトルから得られたGバンド半値幅が、好ましくは55cm−1以下、より好ましくは52cm−1以下、特に好ましくは49cm−1以下のものを用いるのがよい。これはアノード触媒層における触媒が担持されていない導電性カーボンとして上記したのと同様であるため、詳細な説明は省略する。 From the viewpoint that the heat-treated carbon black is excellent in hydrophobicity, the G band half width obtained from the Raman spectrum is preferably 55 cm −1 or less, more preferably 52 cm −1 or less, particularly preferably 49 cm −1 or less. It is better to use something. Since this is the same as that described above for the conductive carbon in which no catalyst is supported in the anode catalyst layer, detailed description thereof is omitted.
カソード触媒層には、さらに、疎水性に優れるという観点から、触媒が担持されていない導電性カーボンとして、アセチレンブラックなどのアセチレンを原料として製造したカーボンブラックが含まれていてもよい。これによっても、カソード触媒層の排水性を向上させ、ひいてはMEAの発電性能を向上させることができる。アセチレンを原料として製造したカーボンブラックは、ラマンスペルトルから得られたGバンドの半値幅が、好ましくは55cm−1以下、より好ましくは52cm−1以下、特に好ましくは49cm−1以下のものを用いる。これはアノード触媒層において触媒が担持されていない導電性カーボンとして上記したのと同様であるため、詳細な説明を省略する。 The cathode catalyst layer may further contain carbon black produced using acetylene such as acetylene black as a conductive carbon on which no catalyst is supported, from the viewpoint of excellent hydrophobicity. This also improves the drainage performance of the cathode catalyst layer, which in turn improves the power generation performance of the MEA. Carbon black produced using acetylene as a raw material has a half band width of G band obtained from Raman spectrum of preferably 55 cm −1 or less, more preferably 52 cm −1 or less, particularly preferably 49 cm −1 or less. . Since this is the same as that described above for the conductive carbon in which no catalyst is supported in the anode catalyst layer, detailed description thereof is omitted.
前記カソード触媒層は、疎水性に優れるという観点から、触媒が担持されていない導電性カーボンとして、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバーからなる群より選択される少なくとも1種をさらに含んでいてもよい。これによっても、カソード触媒層の排水性を向上させ、ひいてはMEAの発電性能を向上させることができる。 From the viewpoint of excellent hydrophobicity, the cathode catalyst layer may further include at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon nanofibers as conductive carbon on which no catalyst is supported. Good. This also improves the drainage performance of the cathode catalyst layer, which in turn improves the power generation performance of the MEA.
なお、前記カソード触媒層に用いられる触媒が担持されていない導電性カーボンは、上記したもののうち、一種類のみを単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよく、所望する特性を有するMEAが得られるように適宜決定して用いればよい。 In addition, as for the conductive carbon on which the catalyst used for the cathode catalyst layer is not supported, only one kind of the above-mentioned ones may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used as desired. What is necessary is just to determine suitably and use so that MEA which has a characteristic may be obtained.
カソード触媒層において、上述した触媒が担持されていない導電性カーボンと同様な導電性カーボンを、前記カソード触媒層中の触媒担持カーボンにおける導電性カーボン中に好ましくは5重量%以上、より好ましくは10重量%以上含むのがよい。これにより、カソード触媒層における導電性カーボンの耐食性の向上や、カソード触媒層の電子伝導性の向上などが図れる。 In the cathode catalyst layer, the same conductive carbon as the above-described conductive carbon on which the catalyst is not supported is preferably 5% by weight or more, more preferably 10% in the conductive carbon in the catalyst-supported carbon in the cathode catalyst layer. It is good to contain by weight% or more. As a result, it is possible to improve the corrosion resistance of the conductive carbon in the cathode catalyst layer and the electron conductivity of the cathode catalyst layer.
本発明に用いられる触媒担持カーボンにおいて、触媒が担持される導電性カーボンとしては、触媒を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、上記の通りである。前記カーボン粒子の大きさは、特に限定されないが、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するという観点からは、平均一次粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度のものを用いるのがよい。 In the catalyst-supported carbon used in the present invention, the conductive carbon on which the catalyst is supported has a specific surface area for supporting the catalyst in a desired dispersed state, and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” is as described above. The size of the carbon particles is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average primary particle diameter is 5 to 200 nm, preferably about 10 to 100 nm. Good.
なかでも、前記導電性カーボンは、電子伝導性に優れることから、カーボンブラックを用いるのが好ましい。前記カーボンブラックとしては、触媒が担持されない導電性カーボンとして上記で列挙したものと同様のものが好ましく挙げられる。より好ましくは、電子伝導性および耐食性に優れることから前記カーボンブラックを熱処理したものが挙げられる。 Especially, since the said conductive carbon is excellent in electronic conductivity, it is preferable to use carbon black. Preferred examples of the carbon black include those listed above as conductive carbons on which no catalyst is supported. More preferably, the carbon black is heat-treated because of its excellent electron conductivity and corrosion resistance.
前記触媒担持カーボンにおける前記熱処理したカーボンブラックとして具体的には、ラマンスペルトルから得られたGバンドの半値幅が、好ましくは55cm−1以下、より好ましくは52cm−1以下、特に好ましくは49cm−1以下のものを用いる。これはアノード触媒層に用いられる触媒が担持されていない導電性カーボンとして上記したのと同様であるため、詳細な説明を省略する。 Specifically, as the heat-treated carbon black in the catalyst-supported carbon, the half band width of the G band obtained from Raman spectrum is preferably 55 cm −1 or less, more preferably 52 cm −1 or less, particularly preferably 49 cm −. 1 or less is used. Since this is the same as that described above for the conductive carbon on which the catalyst used for the anode catalyst layer is not supported, detailed description thereof is omitted.
触媒が担持される導電性カーボンとして、アセチレンブラックなど、アセチレンを原料として製造したカーボンブラックを用いることもできる。前記アセチレンを原料として製造したカーボンブラックは、ラマンスペルトルから得られたGバンドの半値幅が、好ましくは55cm−1以下、より好ましくは52cm−1以下、特に好ましくは49cm−1以下のものを用いる。これはアノード触媒層において触媒が担持されていない導電性カーボンとして上記したのと同様であるため、詳細な説明を省略する。 Carbon black produced using acetylene as a raw material, such as acetylene black, can also be used as the conductive carbon on which the catalyst is supported. The carbon black produced using acetylene as a raw material has a G band obtained from Raman spectrum of preferably at least 55 cm −1 , more preferably 52 cm −1 or less, particularly preferably 49 cm −1 or less. Use. Since this is the same as that described above for the conductive carbon in which no catalyst is supported in the anode catalyst layer, detailed description thereof is omitted.
前記触媒担持カーボンにおける導電性カーボンとしては上述したものの他に、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバーからなる群より選択される少なくとも1種も好ましく用いられる。これらは、カーボンブラックよりも黒鉛化度の高いことから耐食性に優れ、MEAの耐久性を向上させることができる。 In addition to the above-mentioned conductive carbon in the catalyst-supporting carbon, at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon nanofibers is also preferably used. Since these have a higher degree of graphitization than carbon black, they are excellent in corrosion resistance and can improve the durability of MEA.
なお、触媒担持カーボンに用いられる導電性カーボンは、上記したもののうち、一種類のみを単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよく、所望する特性を有するMEAが得られるように適宜決定して用いればよい。 The conductive carbon used for the catalyst-supporting carbon may be used alone or in combination of two or more of those described above, and an MEA having desired characteristics can be obtained. Thus, it may be determined and used as appropriate.
本発明に用いられる触媒担持カーボンにおける触媒は、水素の酸化反応、及び酸素の還元反応に触媒作用を有することが求められ、少なくとも白金を含むのが好ましい。 The catalyst in the catalyst-supported carbon used in the present invention is required to have a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, and preferably contains at least platinum.
また、一酸化炭素などに対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、白金と、その他の金属との合金としてもよい。前記合金として、具体的には、白金と、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、およびアルミニウムなどから選択される少なくとも1種以上の金属との合金などが挙げられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。 Further, in order to improve the poisoning resistance, heat resistance, etc. with respect to carbon monoxide or the like, an alloy of platinum and other metals may be used. Specifically, the alloy is at least selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. Examples thereof include alloys with one or more metals. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed.
導電性カーボンに担持される触媒の平均粒子径は、1〜30nmであることが好ましい。触媒は、平均粒子径が小さいほど比表面積が大きくなるため触媒活性も向上すると推測されるが、実際は、触媒の粒子径を極めて小さくしても、比表面積の増加分に見合った触媒活性は得られない恐れがあるため、上記範囲とするのが好ましい。 The average particle size of the catalyst supported on the conductive carbon is preferably 1 to 30 nm. It is estimated that the catalyst activity is improved because the specific surface area increases as the average particle size decreases. However, in practice, even if the particle size of the catalyst is extremely small, the catalyst activity corresponding to the increase in the specific surface area is obtained. Therefore, the above range is preferable.
なお、本発明における「触媒の平均粒子径」は、X線回折における触媒の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒の微粒子径の平均値により測定することができる。 The “average particle diameter of the catalyst” in the present invention is measured by the crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst in X-ray diffraction or the average value of the fine particle diameter of the catalyst determined from a transmission electron microscope image. be able to.
本発明のMEAにおける触媒層に用いられる固体高分子電解質としては、特に限定されないが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材が挙げられ、好ましくはスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体が挙げられる。特に好ましくは下記式に基づく重合単位からなる共重合体などが挙げられる。 Although it does not specifically limit as a solid polymer electrolyte used for the catalyst layer in MEA of this invention, The member which has at least high proton conductivity is mentioned, Preferably the perfluorocarbon polymer which has a sulfonic acid group is mentioned. Particularly preferred are copolymers comprising polymerized units based on the following formula.
(式中、lおよびmは整数であり、pは0〜3の整数であり、qは0又は1であり、nは1〜12の整数であり、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基である。)
触媒層に用いられる固体高分子電解質は、後で述べる固体高分子電解質膜と同種のものを用いてもよく、また異なる種のものを用いてもよい。
(In the formula, l and m are integers, p is an integer of 0 to 3, q is 0 or 1, n is an integer of 1 to 12, and X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group. is there.)
The solid polymer electrolyte used for the catalyst layer may be the same type as the solid polymer electrolyte membrane described later, or may be a different type.
本発明のMEAにおいて、アノード触媒層およびカソード触媒層うちの少なくとも一方が、フッ素原子を含有する高分子をさらに含むのが好ましい。これにより、得られる触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。前記フッ素原子を含有する高分子は、フラッディング現象などを招き易いカソード触媒層に少なくとも用いられるのがより好ましい。 In the MEA of the present invention, it is preferable that at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer further contains a polymer containing a fluorine atom. Thereby, the water repellency of the resulting catalyst layer can be increased, and water generated during power generation can be quickly discharged. The polymer containing a fluorine atom is more preferably used at least in a cathode catalyst layer that easily causes a flooding phenomenon.
前記フッ素原子を含有する高分子としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレンおよびテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体からなる群より選択される少なくとも1種の高分子などが挙げられる。 Examples of the polymer containing fluorine atoms include at least one polymer selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers.
前記フッ素原子を含有する高分子の含有量は、アノード触媒層またはカソード触媒層に含まれる導電性カーボンの総質量に対して、好ましくは5〜80重量%、より好ましくは10〜70重量%とするのがよい。かような範囲とすることにより、MEAの発電性能を低下させることなく排水性を向上させることができる。 The content of the polymer containing fluorine atoms is preferably 5 to 80% by weight, more preferably 10 to 70% by weight, based on the total mass of the conductive carbon contained in the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer. It is good to do. By setting it as such a range, drainage can be improved, without reducing the power generation performance of MEA.
本発明において、触媒層の製造方法としては、従来公知の方法に従って行えばよい。例えば、固体高分子電解質および触媒担持カーボンを、水やアルコール系溶媒に混合して触媒層インクとし、これをガス拡散層、固体高分子電解質膜またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シートなどの基材上に塗布後、乾燥させる方法などである。 In the present invention, the catalyst layer may be produced according to a conventionally known method. For example, a solid polymer electrolyte and catalyst-supported carbon are mixed with water or an alcohol solvent to form a catalyst layer ink, which is a base such as a gas diffusion layer, a solid polymer electrolyte membrane, or a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet. For example, a method of drying after coating on a material.
また、前記触媒層インクには、固体高分子電解質、触媒担持カーボンの他に、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体といったフッ素原子を含有する高分子などの各種添加剤が含まれてもよい。 The catalyst layer ink includes a polymer containing fluorine atoms such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer in addition to the solid polymer electrolyte and catalyst-supporting carbon. Various additives may be included.
次に、本発明のMEAに用いられる固体高分子電解質膜としては、特に限定されないが、触媒層の説明において列挙したのと同様の固体高分子電解質からなるのものなどが挙げられる。その例としては、Nafion(登録商標、DuPont社製)、Flemion(登録商標、旭硝子株式会社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)等が挙げられる。その他、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜などを用いてもよい。 Next, the solid polymer electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include those made of the same solid polymer electrolyte as listed in the description of the catalyst layer. Examples thereof include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and the like. In addition, fluoropolymer electrolytes such as ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Co., ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbons having sulfonic acid groups A resin film or the like may be used.
前記固体高分子電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。 The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.
本発明のMEAの製造方法としては、従来公知の方法に従って行えばよい。例えば、上述の通りにしてガス拡散層上に触媒層を形成し、これを二枚用いて固体高分子電解質膜を挟持した後、ホットプレスする方法などが挙げられる。 What is necessary is just to perform according to a conventionally well-known method as a manufacturing method of MEA of this invention. For example, a method of forming a catalyst layer on a gas diffusion layer as described above, sandwiching a solid polymer electrolyte membrane using two of them, and then hot pressing may be used.
ホットプレスは、好ましくは110〜170℃で、電極面に対して0.1〜10MPaのプレス圧力で行うのがよい。これにより固体高分子電解質膜と触媒層との接合性を高めることができる。 Hot pressing is preferably performed at 110 to 170 ° C. and a pressing pressure of 0.1 to 10 MPa with respect to the electrode surface. Thereby, the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst layer can be enhanced.
また、PTFE製シート上などに触媒層を形成した場合には、触媒層が内側となるように固体高分子電解質膜を挟持し、上記と同様にしてホットプレスをした後、PTFE製シートのみを剥がせばよい。 In addition, when a catalyst layer is formed on a PTFE sheet or the like, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched so that the catalyst layer is on the inside, and hot pressing is performed in the same manner as described above, and then only the PTFE sheet is formed. Remove it.
本発明のMEAは、触媒層において固体高分子電解質膜と接している面とは反対側の面にガス拡散層を配置させてもよい。前記ガス拡散層としては、特に限定されず、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。また、撥水性を高めてフラッディング現象を防ぐために、公知の手段を用いて、前記ガス拡散層の撥水処理を行ったり、前記ガス拡散層上に炭素粒子集合体からなるカーボン粒子層を形成するのが好ましい。 In the MEA of the present invention, a gas diffusion layer may be disposed on the surface of the catalyst layer opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer is not particularly limited, and examples thereof include those based on a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric. Further, in order to enhance water repellency and prevent flooding phenomenon, the gas diffusion layer is subjected to water repellency using known means, or a carbon particle layer composed of carbon particle aggregates is formed on the gas diffusion layer. Is preferred.
前記撥水処理を行う方法として、例えば、ガス拡散層をポリテトラフルオロエチレンといったフッ素原子を有する高分子の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させることで撥水処理を行う方法が挙げられる。 Examples of the method for performing the water-repellent treatment include a method for performing the water-repellent treatment by immersing the gas diffusion layer in a dispersion of a polymer having a fluorine atom such as polytetrafluoroethylene and then drying by heating in an oven or the like. It is done.
前記ガス拡散層上にカーボン粒子層を形成する方法としては、まず、カーボンブラックなどのカーボン粒子、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素原子を含有する高分子等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製する。次に、前記スラリーをガス拡散層上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などが挙げられる。前記方法において、カーボン粒子層が形成された前記ガス拡散層上は、マッフル
炉や焼成炉を用いて300〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。
As a method for forming a carbon particle layer on the gas diffusion layer, first, carbon atoms such as carbon black, fluorine atoms such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer are used. A slurry is prepared by dispersing a polymer or the like contained in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, and ethanol. Next, the slurry is applied on the gas diffusion layer and dried, or the slurry is once dried and pulverized to form a powder, which is then applied onto the gas diffusion layer. In the method, the gas diffusion layer on which the carbon particle layer is formed is preferably heat-treated at about 300 to 400 ° C. using a muffle furnace or a firing furnace.
なお、カーボン粒子層におけるフッ素原子を含有する高分子の含量は、カーボン粒子の質量1に対して、0.1から2.0が好ましく、より好ましくは0.2から1.8、さらに好ましくは0.3から1.5、である。カーボン粒子層の、撥水性の観点から0.1以上であることが好ましく、導電性の観点から2.0以下であることが好ましい。 The content of the polymer containing fluorine atoms in the carbon particle layer is preferably 0.1 to 2.0, more preferably 0.2 to 1.8, and still more preferably, with respect to the mass 1 of the carbon particles. 0.3 to 1.5. The carbon particle layer is preferably 0.1 or more from the viewpoint of water repellency, and preferably 2.0 or less from the viewpoint of conductivity.
本発明のMEAは、上述した通り、白金など高価な触媒の使用量を低減することができ、MEAの製造コストなどの削減が図れる。かようなMEAが用いられる燃料電池の種類としては、特に限定されないが、実用性・安全性などの観点から固体高分子電解質型燃料電池(単に「PEFC」とも記載する。)として用いるのが好ましい。PEFCの構成は特に限定されないが、MEAをセパレータなどで挟持した構造を有する。 As described above, the MEA of the present invention can reduce the amount of expensive catalyst such as platinum used, and can reduce the manufacturing cost of the MEA. The type of fuel cell in which such MEA is used is not particularly limited, but is preferably used as a solid polymer electrolyte fuel cell (also simply referred to as “PEFC”) from the viewpoint of practicality and safety. . The configuration of PEFC is not particularly limited, but has a structure in which MEA is sandwiched between separators.
前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製のものや、ステンレス等の金属製のものなど公知のものを用いればよい。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するためにガス流通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータなどの形状などは、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 As the separator, a known separator such as a carbon separator such as dense carbon graphite or a carbon plate or a metal separator such as stainless steel may be used. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a gas flow groove may be formed in order to secure the flow path, and a conventionally known technique can be appropriately used. The shape of the separator or the like is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
さらに、PEFCが所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。PEFCの形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that a desired voltage or the like can be obtained by the PEFC. The shape of the PEFC is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
本発明の前記燃料電池は、高性能かつ低コストが求められる自動車など車両に好ましく用いられる。本発明の燃料電池は、発電性能を低下させることなく製造コストが削減されるため、車両の駆動用電源として用いることにより車両の低コスト化が達成されうる。 The fuel cell of the present invention is preferably used in vehicles such as automobiles that require high performance and low cost. Since the manufacturing cost of the fuel cell of the present invention is reduced without degrading the power generation performance, the cost of the vehicle can be reduced by using it as a power source for driving the vehicle.
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例のみに限定されることはない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited only to the following Example.
なお、各実施例において用いたカーボンのGバンド半値幅は、下記装置および条件に従って測定した。 The G band half-width of carbon used in each example was measured according to the following apparatus and conditions.
・測定装置 顕微レーザーラマン分光分析装置 Holo Lab 5000R
(Kaiser Optical System Inc社製)
・測定条件 励起波長:532nm
出力:3mW
測定時間:露光30秒×積算5回
[実施例1]
1.MEA作製
(1−1)触媒層インク調製
・アノード側
カーボンであるケッチェンブラックEC(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製;Gバンド半値幅:68cm−1;)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)5g、固体高分子電解質分散液(DuPont社製Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)50.4g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.71)、純水12.5g、2−プロパノール(和光純薬工業社製特級試薬)5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード側用触媒層インクとした。
・ Measuring device Microscopic laser Raman spectroscopic analyzer Holo Lab 5000R
(Kaiser Optical System Inc.)
Measurement conditions Excitation wavelength: 532 nm
Output: 3mW
Measurement time: exposure 30 seconds × total 5 times [Example 1]
1. Preparation of MEA (1-1) Preparation of catalyst layer ink-Anode-side carbon Ketjen black EC (manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd .; G band half-value width: 68 cm -1 ;) with catalyst supported on platinum 5 g of carbon (platinum content 29% by weight), solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5% by weight) 50.4 g (solid to mass 1 of all conductive carbon in the catalyst layer) Polymer electrolyte mass is 0.71), pure water 12.5 g, 2-propanol (special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 5 g in a glass container in a water bath set to hold at 25 ° C., homogenizer Was mixed and dispersed for 3 hours to obtain an anode catalyst layer ink.
・カソード側
アノード側と同様のカーボンに触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)5g、アノード側と同様の固体高分子電解質分散液43.9g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.86)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、カソード側用触媒層インクとした。
Cathode side 5 g of catalyst-supported carbon (platinum content 49% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on the same carbon as the anode side, 43.9 g of the same solid polymer electrolyte dispersion as the anode side (total conductivity in the catalyst layer) The mass of the solid polymer electrolyte is 0.86) with respect to the mass of the conductive carbon, 12.5 g of pure water, and 5 g of 2-propanol in a glass container in a water bath set to hold at 25 ° C. The resulting mixture was dispersed for 3 hours to obtain a cathode-side catalyst layer ink.
(1−2)触媒層形成
厚さ200μmのPTFE製シート(ニチアス社製ナフロンシート)の片面上に、スクリーンプリンターを用いて先に調製した触媒層インク2種類をそれぞれ塗布し、室温で30分間乾燥させた後、一辺5cmの正方形に切り出し、アノード及びカソード触媒層とした。
(1-2) Catalyst Layer Formation Two types of catalyst layer inks previously prepared using a screen printer were applied on one side of a 200 μm-thick PTFE sheet (Nichias Naflon sheet) for 30 minutes at room temperature. After drying, it was cut into a square with a side of 5 cm and used as an anode and cathode catalyst layer.
(1−3)MEA化
一辺8cmの正方形で厚さ25μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製Nafion NR−111)を挟んで、先に作製したアノード及びカソード触媒層を形成したPTFE製シートの各触媒層形成側が対向するように重ねて、片側PTFE製シート面積あたり2.5MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスし、冷却後PTFE製シートのみを剥がすことで、固体高分子電解質膜に触媒層を転写させMEAとした。転写後の電解質膜上の触媒層面積1cm2あたりの白金質量は、アノード側0.15mg、カソード側0.40mgであった。また、アノード触媒層およびカソード触媒層の厚さは、それぞれ10μm、12μmであった。
(1-3) MEA conversion A PTFE sheet on which a previously prepared anode and cathode catalyst layer was formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (DuPont's Nafion NR-111) with a square of 8 cm on a side and a thickness of 25 μm. Solid polymer electrolyte membranes are stacked so that the catalyst layer forming sides face each other, hot pressed at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 2.5 MPa per one-sided PTFE sheet area, and after cooling, only the PTFE sheet is peeled off. The catalyst layer was transferred to a MEA. The platinum mass per 1 cm 2 of catalyst layer area on the electrolyte membrane after the transfer was 0.15 mg on the anode side and 0.40 mg on the cathode side. The thicknesses of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer were 10 μm and 12 μm, respectively.
2.ガス拡散層作製
(2−1)カーボンペーパー撥水処理
厚さ270μmのカーボンペーパー(東レ社製TGP−H−090)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液(ダイキン工業社製ポリフロンD−1E、60重量%)に浸漬後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させることにより、カーボンペーパー中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は25wt%であった。
2. Gas diffusion layer preparation (2-1) Carbon paper water repellent treatment Carbon paper (TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 270 μm, and polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (polyfluorone D-1E, manufactured by Daikin Industries, Ltd.) , 60% by weight), and then dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour to disperse PTFE in the carbon paper. At this time, the PTFE content was 25 wt%.
(2−2)カーボン粒子層の形成
カーボン粒子としてバルカンXC72R(CABOT社製)5.4g、(2−1)と同じPTFE分散液1.0g、水29.6gをホモジナイザーを用いて3時間混合分散し、スラリー化した。このスラリーを先に撥水処理化したカーボンペーパーの片面上にバーコーターを用いて塗布後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させ、さらにマッフル炉にて350℃、1時間熱処理を行った。その結果、カーボンペーパー1cm2あたりの形成された層の質量は3.0mgであった。この後、一辺6cmの正方形に切り出した。
(2-2) Formation of carbon particle layer 5.4 g of Vulcan XC72R (manufactured by CABOT) as carbon particles, 1.0 g of the same PTFE dispersion as (2-1), and 29.6 g of water were mixed for 3 hours using a homogenizer. Dispersed and slurried. The slurry was coated on one side of a carbon paper that had been subjected to water repellency treatment using a bar coater, then dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, and further heat treated in a muffle furnace at 350 ° C. for 1 hour. . As a result, the mass of the formed layer per 1 cm 2 of carbon paper was 3.0 mg. Then, it cut out into a square of 6 cm on a side.
3.評価用単セル組立
MEAを挟んで2枚のガス拡散層をカーボン粒子層が対向するように重ねた状態とし、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、評価用単セルとした。
3. Single cell assembly for evaluation Two gas diffusion layers are stacked with the MEA sandwiched so that the carbon particle layers face each other, sandwiched by a graphite separator, and sandwiched by a gold-plated stainless steel current collector, A single cell for evaluation was used.
4.単セル評価
発電は、単セル温度70℃、アノード加湿温度59℃、カソード加湿温度59℃に設定し、常圧でアノード側から水素、カソード側から空気を供給することで行った。この条件で、電流密度1A/cm2で連続発電し、耐久性を評価した。
4). Single Cell Evaluation Power generation was performed by setting the single cell temperature to 70 ° C., the anode humidification temperature 59 ° C., and the cathode humidification temperature 59 ° C., and supplying hydrogen from the anode side and air from the cathode side at normal pressure. Under this condition, continuous power generation was performed at a current density of 1 A / cm 2 to evaluate durability.
5.評価結果
発電開始時電圧0.581V、500時間連続運転後電圧0.474Vであり、電圧維持率は81.6%であった。
5). Evaluation results The power generation start voltage was 0.581 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.474 V, and the voltage maintenance ratio was 81.6%.
[実施例2]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率35重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を57.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.88)とし、さらにアノード触媒層の厚さを9μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 2]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, catalyst-supported carbon (platinum content 35% by weight) obtained by supporting platinum as a catalyst in Ketjen Black EC (G band half-value width: 68 cm −1 ). ), And 57.2 g of the solid polymer electrolyte dispersion (the mass of the solid polymer electrolyte is 0.88 with respect to 1 of the total conductive carbon in the catalyst layer), and the anode catalyst layer has a thickness of 9 μm. A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that.
評価結果は、発電開始時電圧0.589V、500時間連続運転後電圧0.484Vであり、電圧維持率は82.2%であった。 As a result of the evaluation, the power generation start voltage was 0.589 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.484 V, and the voltage maintenance rate was 82.2%.
[実施例3]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率11重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を37.4g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.42)とし、転写後の固体高分子電解質膜上の触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.16mgとし、さらにアノード触媒層の厚さを15μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 3]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, catalyst-supported carbon (platinum content 11% by weight) in which platinum was supported as a catalyst in Ketjen Black EC (G band half-value width: 68 cm −1 ). 37.4 g of the solid polymer electrolyte dispersion (the mass of the solid polymer electrolyte is 0.42 with respect to 1 of the total conductive carbon in the catalyst layer), and on the solid polymer electrolyte membrane after transfer A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the platinum mass per 1 cm 2 of the catalyst layer area was 0.16 mg and the thickness of the anode catalyst layer was 15 μm.
評価結果は、発電開始時電圧0.572V、500時間連続運転後電圧0.463Vであり、電圧維持率は80.9%であった。 As a result of the evaluation, the power generation start voltage was 0.572 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.463 V, and the voltage maintenance rate was 80.9%.
[実施例4]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率37重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を46.6g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.74)とし、転写後の固体高分子電解質膜上の触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.41mgとし、さらにカソード触媒層の厚さを14μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 4]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst-supported carbon (platinum content: 37% by weight) in which platinum was supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-value width: 68 cm −1 ). ), And the solid polymer electrolyte dispersion is 46.6 g (the mass of the solid polymer electrolyte is 0.74 with respect to the mass of all the conductive carbon in the catalyst layer is 0.74). A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the platinum mass per 1 cm 2 of the catalyst layer area was 0.41 mg and the thickness of the cathode catalyst layer was 14 μm.
評価結果は、発電開始時電圧0.570V、500時間連続運転後電圧0.467Vであり、電圧維持率は81.9%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.570 V, a voltage after continuous operation for 500 hours of 0.467 V, and a voltage maintenance ratio of 81.9%.
[実施例5]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率62重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を44.8g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は1.18)とし、転写後の固体高分子電解質膜上のアノード触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.42mgとし、さらにアノード触媒層の厚さを10μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 5]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst-supporting carbon (platinum content 62% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ). ) And 44.8 g of the solid polymer electrolyte dispersion (the mass of the solid polymer electrolyte is 1.18 with respect to the mass of all conductive carbon in the catalyst layer is 1.18), and on the solid polymer electrolyte membrane after transfer A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the platinum mass per cm 2 of the anode catalyst layer was 0.42 mg and the thickness of the anode catalyst layer was 10 μm.
評価結果は、発電開始時電圧0.591V、500時間連続運転後電圧0.491Vであり、電圧維持率は83.1%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.591 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.491 V, and the voltage maintenance rate was 83.1%.
[実施例6]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金とコバルトの合金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率が45重量%、コバルト含有率が5重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を43.0g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.86)とし、さらに転写後の固体高分子電解質膜上の触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.36mg、コバルト質量を0.04mgとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 6]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1, a catalyst-supporting carbon (platinum-containing carbon) in which an alloy of platinum and cobalt is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-value width: 68 cm −1 ). The solid polymer electrolyte mass was 0.86 with respect to 13.0 mass of the total conductive carbon in the catalyst layer. In addition, except that the mass of platinum per cm 2 of the catalyst layer area on the solid polymer electrolyte membrane after the transfer was 0.36 mg and the mass of cobalt was 0.04 mg, the evaluation unit A cell was assembled and evaluated.
評価結果は、発電開始時電圧0.599V、500時間連続運転後電圧0.497Vであり、電圧維持率は83.0%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.599 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.497 V, and the voltage maintenance rate was 83.0%.
[実施例7]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックECを窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:34cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率37重量%)を用いた以外は、実施例4と同様にして評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 7]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1, Ketjen Black EC was subjected to a heat treatment at 2800 ° C. in a nitrogen atmosphere (G band half-width: 34 cm −1). The evaluation unit cell was assembled and evaluated in the same manner as in Example 4 except that catalyst-supporting carbon (platinum content: 37% by weight) supporting platinum as a catalyst was used.
評価結果は、発電開始時電圧0.577V、500時間連続運転後電圧0.480Vであり、電圧維持率は83.2%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.577 V, a voltage after continuous operation for 500 hours of 0.480 V, and a voltage maintenance ratio of 83.2%.
[実施例8]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、アセチレンを原料として製造したカーボンブラックである高結晶性アセチレンブラック(Gバンド半値幅:45cm−1;電気化学工業製)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率37重量%)を用いた以外は、実施例4と同様にして評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 8]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst was prepared by using highly crystalline acetylene black (G band half-value width: 45 cm −1 ; manufactured by Denki Kagaku Kogyo), which is carbon black produced using acetylene as a raw material. A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 4 except that catalyst-supported carbon (platinum content: 37% by weight) supporting platinum was used.
評価結果は、発電開始時電圧0.580V、500時間連続運転後電圧0.489Vであり、電圧維持率は84.3%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.580 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.489 V, and the voltage maintenance rate was 84.3%.
[実施例9]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金とルテニウムの合金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率が25.5重量%、ルテニウム含有率が3.5重量%)を用い、実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率50重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を44.6g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.86)とした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 9]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst-supported carbon (platinum-containing carbon) in which an alloy of platinum and ruthenium is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-value width: 68 cm −1 ). In the preparation of the cathode catalyst layer ink of Example 1-1 (1-1) using a ratio of 25.5 wt% and a ruthenium content of 3.5 wt%, Ketjen Black EC (G band half width: 68 cm) -1 ) using catalyst-supported carbon (platinum content: 50% by weight) supporting platinum as a catalyst, 44.6 g of solid polymer electrolyte dispersion (solid to mass 1 of all conductive carbon in the catalyst layer) A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the mass of the polymer electrolyte was 0.86).
評価結果は、発電開始時電圧0.579V、500時間連続運転後電圧0.490Vであり、電圧維持率は84.6%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.579 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.490 V, and the voltage maintenance rate was 84.6%.
[実施例10]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製)を窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:34cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)を用い、実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率37重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を46.6g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.74)とし、さらにカソード触媒層の厚さを14μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 10]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of Example 1-1 (1-1), carbon whose crystallinity was increased by heat-treating Ketjen Black EC (manufactured by Ketjen Black International) at 2800 ° C. in a nitrogen atmosphere. In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, using catalyst-supported carbon (platinum content 29% by weight) in which platinum was supported as a catalyst (G band half-width: 34 cm −1 ), Using ketjen black EC (G band half-width: 68 cm −1 ), a catalyst-supporting carbon (platinum content: 37% by weight) in which platinum is supported as a catalyst, 46.6 g of a solid polymer electrolyte dispersion (in the catalyst layer) The mass of the solid polymer electrolyte is 0.74) with respect to the mass of all conductive carbon 1, and the thickness of the cathode catalyst layer is 14 μm. In the same manner as in Example 1, assembled single cell for evaluation was evaluated it.
評価結果は、発電開始時電圧0.581V、500時間連続運転後電圧0.485Vであり、電圧維持率は83.5%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.581 V, a 500 hour continuous operation voltage of 0.485 V, and a voltage maintenance rate of 83.5%.
[実施例11]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、アセチレンを原料として製造したカーボンブラックである高結晶性アセチレンブラック(Gバンド半値幅:45cm−1;電気化学工業製)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)を用い、実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率37重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を46.6g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.74)とし、さらにカソード触媒層の厚さを14μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 11]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst was prepared by using highly crystalline acetylene black (G band half-value width: 45 cm −1 ; manufactured by Denki Kagaku Kogyo), which is carbon black produced using acetylene as a raw material. In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1 using a catalyst-supported carbon (platinum content 29% by weight) supporting platinum as a ketchen black EC (G band half-value width: 68 cm − 1 ) Using catalyst-supported carbon (platinum content: 37% by weight) supporting platinum as a catalyst in 1 ), 46.6 g of solid polymer electrolyte dispersion (the amount of solids with respect to mass 1 of all conductive carbon in the catalyst layer) The evaluation unit cell was assembled in the same manner as in Example 1 except that the molecular electrolyte mass was 0.74) and the thickness of the cathode catalyst layer was 14 μm. It was evaluated.
評価結果は、発電開始時電圧0.591V、500時間連続運転後電圧0.502Vであり、電圧維持率は84.9%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.591 V, a voltage after continuous operation for 500 hours of 0.502 V, and a voltage maintenance ratio of 84.9%.
[実施例12]
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)5g、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)0.39g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)55.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.70)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード側用触媒層インクとした。
[Example 12]
Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ) 5 g of catalyst-supporting carbon (platinum content 29% by weight) in which platinum is supported as a catalyst, Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ) 0 .39 g, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5 wt%) 55.2 g (solid polymer electrolyte mass is 0.70 with respect to mass 1 of all conductive carbon in the catalyst layer), pure 12.5 g of water and 5 g of 2-propanol were mixed and dispersed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to be kept at 25 ° C., thereby obtaining an anode catalyst layer ink.
前記アノード側用触媒層インクを用い、実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、固体高分子電解質分散液を43.4g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.85)とし、さらにアノード触媒層の厚さを11μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。 In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1 using the anode side catalyst layer ink, 43.4 g of solid polymer electrolyte dispersion (the mass of all conductive carbon in the catalyst layer was 1). On the other hand, a single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the solid polymer electrolyte mass was 0.85) and the thickness of the anode catalyst layer was 11 μm.
評価結果は、発電開始時電圧0.569V、500時間連続運転後電圧0.470Vであり、電圧維持率は82.6%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.569 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.470 V, and the voltage maintenance rate was 82.6%.
[実施例13]
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)5g、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)7.65g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)85.7g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.42)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード側用触媒層インクとした。
[Example 13]
Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ) 5 g of catalyst-supported carbon (platinum content 49% by weight) in which platinum is supported as a catalyst, Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ) 7 .65 g, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5 wt%) 85.7 g (solid polymer electrolyte mass is 0.42 with respect to mass 1 of all conductive carbon in the catalyst layer), pure 12.5 g of water and 5 g of 2-propanol were mixed and dispersed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to be kept at 25 ° C., thereby obtaining an anode catalyst layer ink.
前記アノード側用触媒層インクを用い、実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、固体高分子電解質分散液を43.4g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.85)とし、転写後の固体高分子電解質膜上のアノード触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.10mgとし、さらにアノード触媒層の厚さを14μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。 In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1 using the anode side catalyst layer ink, 43.4 g of solid polymer electrolyte dispersion (the mass of all conductive carbon in the catalyst layer was 1). On the other hand, the mass of the solid polymer electrolyte is 0.85), the mass of platinum per 1 cm 2 of the anode catalyst layer area on the solid polymer electrolyte membrane after transfer is 0.10 mg, and the thickness of the anode catalyst layer is 14 μm. A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that.
評価結果は、発電開始時電圧0.565V、500時間連続運転後電圧0.468Vであり、電圧維持率は82.8%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.565V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.468V, and the voltage maintenance rate was 82.8%.
[実施例14]
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)4.5g、ケッチェンブラックEC600JD(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製)を窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:31cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)0.5g、ケッチェンブラックEC600JDを窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:31cm−1)0.39g、固体高分子電解質分散液(DuPont社製Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)55.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.70)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード側用触媒層インクとした。
[Example 14]
4.5 g of catalyst-supporting carbon (platinum content 29% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-value width: 68 cm −1 ), Ketjen Black EC600JD (manufactured by Ketjen Black International) Is a catalyst-supported carbon (platinum content 29 wt%) in which platinum is supported as a catalyst on carbon (G band half-value width: 31 cm −1 ) whose crystallinity has been increased by heat treatment at 2800 ° C. in a nitrogen atmosphere. 5 g, 0.39 g of carbon (G band half-value width: 31 cm −1 ) that has been crystallized by heat-treating Ketjen Black EC600JD at 2800 ° C. in a nitrogen atmosphere, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion manufactured by DuPont) Dispersion DE520, electrolyte content 5% by weight) 55.2 g (total conductivity in catalyst layer) In a glass container in a water bath set to hold 12.5 g of pure polymer electrolyte and 12.5 g of pure water and 5 g of 2-propanol at 25 ° C. The resulting mixture was dispersed for 3 hours to obtain an anode catalyst layer ink.
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)4.5g、ケッチェンブラックEC600JDを窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:31cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)0.5g、ケッチェンブラックEC600JDを窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:31cm−1)0.28g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)48.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.85)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、カソード側用触媒層インクとした。 Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ) platinum supported on a catalyst (platinum content 49 wt%) 4.5 g, and Ketjen Black EC600JD at 2800 ° C. in a nitrogen atmosphere. 0.5 g of catalyst-supported carbon (platinum content 49% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on carbon (G band half-width: 31 cm −1 ) which has been improved in crystallinity by heat treatment, and ketjen black EC600JD in a nitrogen atmosphere Below, 0.28 g of carbon (G band half-width: 31 cm −1 ) increased by heat treatment at 2800 ° C., solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5 wt%) 2 g (the mass of the solid polymer electrolyte is 0.85 with respect to 1 of the total conductive carbon in the catalyst layer), pure 12.5 g, 2-propanol 5g, with a glass vessel in a water bath set to hold at 25 ° C., by 3 hours mixed and dispersed using a homogenizer to obtain a catalyst layer ink for the cathode side.
前記アノード側用触媒層インクおよび前記カソード側用触媒層インクを用い、アノード触媒層の厚さを11μmとし、さらにアノード触媒層の厚さを13μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。 Except for using the catalyst layer ink for the anode side and the catalyst layer ink for the cathode side, the thickness of the anode catalyst layer was 11 μm, and the thickness of the anode catalyst layer was 13 μm. A single cell for evaluation was assembled and evaluated.
評価結果は、発電開始時電圧0.582V、500時間連続運転後電圧0.494Vであり、電圧維持率は84.9%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.582 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.494 V, and the voltage maintenance rate was 84.9%.
[実施例15]
アノード側用触媒層インクおよびカソード側用触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC600JDを熱処理したカーボンに代わって、バルカンXC72R(CABOT社製)を窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:35cm−1)を用いた以外は、実施例14と同様にして評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 15]
In the preparation of the anode-side catalyst layer ink and the cathode-side catalyst layer ink, instead of carbon obtained by heat-treating Ketjen Black EC600JD, Vulcan XC72R (manufactured by CABOT) was heat-treated at 2800 ° C. in a nitrogen atmosphere. A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 14 except that carbon having improved properties (G band half-width: 35 cm −1 ) was used.
評価結果は、発電開始時電圧0.583V、500時間連続運転後電圧0.493Vであり、電圧維持率は84.6%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.583 V, a 500 hour continuous operation voltage of 0.493 V, and a voltage maintenance ratio of 84.6%.
[実施例16]
アノード側用触媒層インクおよびカソード側用触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC600JDを熱処理したカーボンに代わって、ブラックパール2000(CABOT社製)を窒素雰囲気下、2800℃、で熱処理することにより結晶性を上げたカーボン(Gバンド半値幅:39cm−1)を用いた以外は、実施例14と同様にして評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 16]
In preparing the anode-side catalyst layer ink and the cathode-side catalyst layer ink, instead of carbon obtained by heat-treating Ketjen Black EC600JD, Black Pearl 2000 (manufactured by CABOT) was heat-treated at 2800 ° C. in a nitrogen atmosphere. A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 14 except that carbon (G band half-width: 39 cm −1 ) with increased crystallinity was used.
評価結果は、発電開始時電圧0.572V、500時間連続運転後電圧0.484Vであり、電圧維持率は84.6%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.572 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.484 V, and the voltage maintenance rate was 84.6%.
[実施例17]
アノード側用触媒層インクおよびカソード側用触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC600JDを熱処理したカーボンに代わって、アセチレンを原料として製造したカーボンブラックである高結晶性アセチレンブラック(Gバンド半値幅:45cm−1;電気化学工業製)を用いた以外は、実施例14と同様にして評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Example 17]
In preparation of the anode-side catalyst layer ink and the cathode-side catalyst layer ink, instead of carbon obtained by heat-treating ketjen black EC600JD, highly crystalline acetylene black (G band half-width: G-band produced from acetylene as a raw material) A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 14 except that 45 cm −1 ; manufactured by Denki Kagaku Kogyo) was used.
評価結果は、発電開始時電圧0.579V、500時間連続運転後電圧0.492Vであり、電圧維持率は85.0%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.579 V, a 500 hour continuous operation voltage of 0.492 V, and a voltage maintenance rate of 85.0%.
[実施例18]
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)4.5g、カーボンナノチューブに触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)0.5g、カーボンナノチューブ0.39g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)55.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.70)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード側用触媒層インクとした。
[Example 18]
4.5 g of catalyst-supporting carbon (platinum content 29% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ), catalyst-supporting carbon in which platinum is supported as a catalyst on carbon nanotubes (Platinum content 29% by weight) 0.5 g, carbon nanotube 0.39 g, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5% by weight) 55.2 g (mass of all conductive carbon in the catalyst layer 1 The solid polymer electrolyte mass is 0.70), 12.5 g of pure water, and 5 g of 2-propanol are mixed in a glass container in a water bath set at 25 ° C. for 3 hours using a homogenizer. Dispersion gave an anode catalyst layer ink.
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)4.5g、カーボンナノチューブに触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)0.5g、カーボンナノチューブ0.28g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)48.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.85)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、カソード側用触媒層インクとした。 4.5 g of catalyst-carrying carbon (platinum content 49% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ), and catalyst-carrying carbon in which platinum is supported as a catalyst on carbon nanotubes (Platinum content 49 wt%) 0.5 g, carbon nanotubes 0.28 g, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5 wt%) 48.2 g (mass of all conductive carbon in the catalyst layer 1 The solid polymer electrolyte mass was 0.85), pure water 12.5 g, and 2-propanol 5 g were mixed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to hold at 25 ° C. By dispersing, a cathode catalyst layer ink was obtained.
前記アノード側用触媒層インクおよび前記カソード側用触媒層インクを用い、アノード触媒層の厚さを11μmとし、さらにアノード触媒層の厚さを13μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。 Except for using the catalyst layer ink for the anode side and the catalyst layer ink for the cathode side, the thickness of the anode catalyst layer was 11 μm, and the thickness of the anode catalyst layer was 13 μm. A single cell for evaluation was assembled and evaluated.
評価結果は、発電開始時電圧0.588V、500時間連続運転後電圧0.483Vであり、電圧維持率は82.1%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.588 V, a 500 hour continuous operation voltage of 0.483 V, and a voltage maintenance ratio of 82.1%.
[実施例19]
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率28重量%)4.5g、カーボンナノホーンに触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率28重量%)0.5g、カーボンナノホーン0.4g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)56.0g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.70)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード側用触媒層インクとした。
[Example 19]
4.5 g of catalyst-supporting carbon (platinum content 28 wt%) supporting platinum as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ), catalyst-supporting carbon supporting platinum as a catalyst on carbon nanohorn (Platinum content 28% by weight) 0.5 g, carbon nanohorn 0.4 g, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5% by weight) 56.0 g (mass of all conductive carbon in the catalyst layer 1 The solid polymer electrolyte mass is 0.70), 12.5 g of pure water, and 5 g of 2-propanol are mixed in a glass container in a water bath set at 25 ° C. for 3 hours using a homogenizer. Dispersion gave an anode catalyst layer ink.
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)4.5g、カーボンナノホーンに触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)0.5g、カーボンナノホーン0.28g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)48.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.85)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、カソード側用触媒層インクとした。 4.5 g of catalyst-supporting carbon (platinum content 49% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ), and catalyst-supporting carbon in which platinum is supported as a catalyst on carbon nanohorn (Platinum content 49 wt%) 0.5 g, carbon nanohorn 0.28 g, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5 wt%) 48.2 g (mass of all conductive carbon in the catalyst layer 1 The solid polymer electrolyte mass was 0.85), pure water 12.5 g, and 2-propanol 5 g were mixed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to hold at 25 ° C. By dispersing, a cathode catalyst layer ink was obtained.
前記アノード側用触媒層インクおよび前記カソード側用触媒層インクを用い、アノード触媒層の厚さを11μmとし、さらにアノード触媒層の厚さを13μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。 Except for using the catalyst layer ink for the anode side and the catalyst layer ink for the cathode side, the thickness of the anode catalyst layer was 11 μm, and the thickness of the anode catalyst layer was 13 μm. A single cell for evaluation was assembled and evaluated.
評価結果は、発電開始時電圧0.585V、500時間連続運転後電圧0.496Vであり、電圧維持率は84.8%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.585 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.496 V, and the voltage maintenance rate was 84.8%.
[実施例20]
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率28重量%)4.5g、気相成長カーボンファイバー(VGCF;昭和電工製)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率28重量%)0.5g、VGCF0.4g、固体高分子電解質分散液(製Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)56.0g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.70)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、アノード側用触媒層インクとした。
[Example 20]
4.5g of catalyst-supporting carbon (platinum content 28% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on ketjen black EC (G band half-width: 68 cm -1 ), vapor-grown carbon fiber (VGCF; Showa Denko) Catalyst-supported carbon carrying platinum as a catalyst (platinum content 28 wt%) 0.5 g, VGCF 0.4 g, solid polymer electrolyte dispersion (manufactured Nafion dispersion DE520, electrolyte content 5 wt%) 56.0 g (catalyst In a glass container in a water bath set so as to hold 12.5 g of pure water and 5 g of 2-propanol at 25 ° C. with respect to the mass 1 of all conductive carbon in the layer. The anode side catalyst layer ink was prepared by mixing and dispersing for 3 hours using a homogenizer.
ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)4.5g、VGCFに触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)0.5g、VGCF0.28g、固体高分子電解質分散液(Nafion分散液DE520、電解質含量5重量%)48.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.85)、純水12.5g、2−プロパノール5gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、カソード側用触媒層インクとした。 4.5 g of catalyst-carrying carbon (platinum content 49% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ), and catalyst-carrying carbon in which platinum is supported as a catalyst in VGCF ( Platinum content 49 wt%) 0.5 g, VGCF 0.28 g, solid polymer electrolyte dispersion (Nafion dispersion DE 520, electrolyte content 5 wt%) 48.2 g (based on mass 1 of all conductive carbon in the catalyst layer) The solid polymer electrolyte mass is 0.85), 12.5 g of pure water, and 5 g of 2-propanol are mixed and dispersed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to be kept at 25 ° C. Thus, a cathode catalyst layer ink was obtained.
前記アノード側用触媒層インクおよび前記カソード側用触媒層インクを用い、アノード触媒層の厚さを11μmとし、さらにアノード触媒層の厚さを13μmとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。 Except for using the catalyst layer ink for the anode side and the catalyst layer ink for the cathode side, the thickness of the anode catalyst layer was 11 μm, and the thickness of the anode catalyst layer was 13 μm. A single cell for evaluation was assembled and evaluated.
評価結果は、発電開始時電圧0.572V、500時間連続運転後電圧0.490Vであり、電圧維持率は85.7%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.572 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.490 V, and the voltage maintenance rate was 85.7%.
[比較例1]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、白金含有率13重量%の触媒担持カーボンを用い、固体高分子電解質分散液を81.8g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.94)とした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Comparative Example 1]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of Example 1-1 (1-1), a catalyst-supporting carbon having a platinum content of 13% by weight was used, and 81.8 g of the solid polymer electrolyte dispersion (the amount of all conductive carbon in the catalyst layer). A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the mass of the solid polymer electrolyte was 0.94) with respect to the mass of 1.
評価結果は、発電開始時電圧0.578V、500時間連続運転後電圧0.436Vであり、電圧維持率は75.4%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.578 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.436 V, and the voltage maintenance rate was 75.4%.
[比較例2]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、固体高分子電解質分散液を25.6g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.36)とした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Comparative Example 2]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1, 25.6 g of the solid polymer electrolyte dispersion (the solid polymer electrolyte mass was 0.1 with respect to the total conductive carbon mass 1 in the catalyst layer). A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except for 36).
評価結果は、発電開始時電圧0.569V、500時間連続運転後電圧0.417Vであり、電圧維持率は73.3%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.569 V, a 500 hour continuous operation voltage of 0.417 V, and a voltage maintenance rate of 73.3%.
[比較例3]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、固体高分子電解質分散液を62.7g(触媒担持カーボン中のカーボン質量1に対して固体高分子電解質質量は1.23)とした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Comparative Example 3]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1, 62.7 g of the solid polymer electrolyte dispersion (the solid polymer electrolyte mass is 1.23 with respect to the carbon mass 1 in the catalyst-supporting carbon). A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that.
評価結果は、発電開始時電圧0.586V、500時間連続運転後電圧0.430Vであり、電圧維持率は73.4%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.586 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.430 V, and the voltage maintenance rate was 73.4%.
[比較例4]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、固体高分子電解質分散液を33.2g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.65)とした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価
した。
[Comparative Example 4]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) of Example 1, 33.2 g of the solid polymer electrolyte dispersion (the mass of the solid polymer electrolyte was 0.1 with respect to the mass 1 of the total conductive carbon in the catalyst layer). An evaluation unit cell was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 65).
評価結果は、発電開始時電圧0.577V、500時間連続運転後電圧0.430Vであり、電圧維持率は74.5%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.577 V, a voltage after continuous operation for 500 hours of 0.430 V, and a voltage maintenance ratio of 74.5%.
[比較例5]
実施例1の(1−1)のカソード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率29重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を61.1g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.86)とし、さらに転写後の固体高分子電解質膜上の触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.41mgとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Comparative Example 5]
In the preparation of the cathode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst-supported carbon (platinum content 29% by weight) in which platinum is supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-value width: 68 cm −1 ). ), And the solid polymer electrolyte dispersion is 61.1 g (the mass of the solid polymer electrolyte is 0.86 with respect to the mass of all conductive carbon in the catalyst layer is 0.86), and further on the solid polymer electrolyte membrane after transfer A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the platinum mass per 1 cm 2 of catalyst layer was 0.41 mg.
評価結果は、発電開始時電圧0.562V、500時間連続運転後電圧0.398Vであり、電圧維持率は70.8%であった。 As a result of the evaluation, the voltage at the start of power generation was 0.562 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.398 V, and the voltage maintenance rate was 70.8%.
[比較例6]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を43.9g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.86)とし、さらに転写後の固体高分子電解質膜上の触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.14mgとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Comparative Example 6]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst-supporting carbon (platinum content: 49% by weight) in which platinum was supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ). ), And the solid polymer electrolyte dispersion is 43.9 g (the mass of the solid polymer electrolyte is 0.86 with respect to the mass of all conductive carbon in the catalyst layer is 0.86), and further on the solid polymer electrolyte membrane after transfer A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the platinum mass per 1 cm 2 of the catalyst layer was 0.14 mg.
評価結果は、発電開始時電圧0.587V、500時間連続運転後電圧0.458Vであり、電圧維持率は78.0%であった。 The evaluation results were a power generation start voltage of 0.587 V, a 500 hour continuous operation voltage of 0.458 V, and a voltage maintenance ratio of 78.0%.
[従来例1]
実施例1の(1−1)のアノード触媒層インクの調製において、ケッチェンブラックEC(Gバンド半値幅:68cm−1)に触媒として白金を担持させた触媒担持カーボン(白金含有率49重量%)を用い、固体高分子電解質分散液を50.4g(触媒層における全導電性カーボンの質量1に対して固体高分子電解質質量は0.86)とし、さらに転写後の固体高分子電解質膜上の触媒層面積1cm2あたりの白金質量を0.40mgとした以外は、実施例1と同様にして、評価用単セルを組立て、これを評価した。
[Conventional example 1]
In the preparation of the anode catalyst layer ink of (1-1) in Example 1, a catalyst-supporting carbon (platinum content: 49% by weight) in which platinum was supported as a catalyst on Ketjen Black EC (G band half-width: 68 cm −1 ). ), And the solid polymer electrolyte dispersion is 50.4 g (the mass of the solid polymer electrolyte is 0.86 with respect to the mass of all conductive carbon in the catalyst layer is 0.86), and further on the solid polymer electrolyte membrane after transfer A single cell for evaluation was assembled and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the platinum mass per 1 cm 2 of the catalyst layer was 0.40 mg.
評価結果は、発電開始時電圧0.590V、500時間連続運転後電圧0.487Vであり、電圧維持率は82.5%であった。 As a result of the evaluation, the power generation start voltage was 0.590 V, the voltage after continuous operation for 500 hours was 0.487 V, and the voltage maintenance rate was 82.5%.
実施例1〜20、比較例1〜6から、本発明の燃料電池用MEAは、アノード、カソード側触媒層における、触媒担持カーボン中の触媒含有率、固体高分子電解質の質量を適切な範囲に設定することにより、優れた耐久性を示すことが明らかとなった。また、実施例1〜20と従来例1から、本発明の燃料電池用MEAは、アノード側触媒層における触媒量を低減しても同等の耐久性、発電性能を示すことが明らかとなった。 From Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 6, the MEA for fuel cell of the present invention has the catalyst content in the catalyst-supporting carbon and the mass of the solid polymer electrolyte in the anode and cathode side catalyst layers within appropriate ranges. It became clear that the durability was excellent by setting. In addition, from Examples 1 to 20 and Conventional Example 1, it became clear that the MEA for fuel cells of the present invention exhibits the same durability and power generation performance even when the amount of catalyst in the anode side catalyst layer is reduced.
Claims (29)
前記カソード触媒層に対する前記アノード触媒層の厚さの比が0.7〜1.3であり、
前記カソード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量に対して、前記アノード触媒層の単位面積当たりの前記触媒の質量が、質量比で1/2以下である、
ことを特徴とする燃料電池用MEA。 In a fuel cell MEA in which a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer including a catalyst-supported carbon in which a catalyst is supported on conductive carbon and a solid polymer electrolyte are disposed opposite to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, ,
A ratio of the thickness of the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer is 0.7 to 1.3;
The mass of the catalyst per unit area of the anode catalyst layer with respect to the mass of the catalyst per unit area of the cathode catalyst layer is 1/2 or less by mass ratio.
A fuel cell MEA.
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