JP2007035350A - Manufacturing method of fuel cell electrode, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池用電極の製造方法および燃料電池に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell electrode and a fuel cell.
燃料電池は、環境負荷を低減できる発電装置として期待されている。中でも電解質に高分子電解質膜を使用した高分子電解質型燃料電池は、自動車等の車載用燃料電池、家庭用・業務用などの定置用燃料電池、パソコン用などの携帯用燃料電池として期待されている。 The fuel cell is expected as a power generation device that can reduce the environmental load. In particular, polymer electrolyte fuel cells that use polymer electrolyte membranes as electrolytes are expected to be used as in-vehicle fuel cells for automobiles, stationary fuel cells for home and business use, and portable fuel cells for personal computers. Yes.
図3は高分子電解質型燃料電池の単セル構造を模式的に説明する説明断面図である。高分子電解質膜11を燃料極12と酸化剤極13で挟持し、接合して膜電極接合体10が作製されている。燃料極12と酸化剤極13は、いずれも燃料電池用電極である。燃料極12は燃料極用触媒層12aと燃料極用の拡散層12bで構成され、酸化剤極13は酸化剤極用触媒層13aと酸化剤極用の拡散層13bで構成されている。膜電極接合体10をセパレータ14と15で挟持し、燃料電池の単セルが構成されている。セパレータ14、15はそれぞれ燃料流路14a、酸化剤流路15aを有する導電性部材である。
FIG. 3 is an explanatory sectional view schematically illustrating a single cell structure of a polymer electrolyte fuel cell. The
燃料流路14aには入口14bから燃料が供給され、出口14cから排出される。酸化剤流路15aには入口15bから酸化剤が供給され、出口15cから排出される。燃料として水素、水素含有ガス、メタノールなどが使用される。酸化剤として空気などの酸素含有ガスなどが使用される。ここでは燃料として水素、酸化剤として空気を使用した例で説明する。
Fuel is supplied to the
燃料流路14aに供給された水素は集電体でもある燃料極用の拡散層12bを通って、燃料極用触媒層12aに到達し、下記の電極反応が起こる。
燃料極12で生成されたプロトンH+は水分子を伴って、高分子電解質膜11中を通って酸化剤極13に向かって移動する。それと同時に、燃料極12で生成された電子e−は燃料極用触媒層12a、燃料極用の拡散層12bを通り、図示しない外部回路を介して酸化剤極13に移動する。
Proton H + generated at the
一方、酸化剤極13では、空気が集電体でもある酸化剤極用の拡散層13bを通って、酸化剤極用触媒層13aに到達し、空気中の酸素が外部回路を介して移動してきた電子を貰って、下記の反応で還元され、燃料極12から高分子電解質膜11中を通して移動してきたプロトンH+と結合して水となる。
高分子電解質膜11にはプロトンなどの移動が必要なためイオン伝導性が要求される。同時に燃料や酸化剤がそのまま透過すると発電性能が低下するため、それらに対する遮蔽性が要求される。
Since the
膜電極接合体10の製造方法として、高分子電解質膜11の一方面に燃料極用触媒層12aを、他方面に酸化剤極用触媒層13aを転写法(デカール法)により形成したのち、燃料極用触媒層12a上に燃料極用の拡散層12bを、酸化剤極用触媒層13a上に酸化剤極用の拡散層13bを接合する方法が知られている。この場合の転写法は、膜状のシート部材の一方面上に触媒層を形成し、それを高分子電解質膜の一方面に転写する方法である。
As a method of manufacturing the
触媒層は、導電性粒子に触媒を担持した触媒担持導電性粒子と電解質を含むペーストをシート状に成形し乾燥することによって形成される。転写は、高分子電解質膜の一方面と触媒層を当接させ、シート部材の他方面と高分子電解質膜の他方面から挟んで加圧し熱プレスしたのち、シート部材を剥がすことによって行う。こうして高分子電解質膜と触媒層の接合体を形成する。 The catalyst layer is formed by molding and drying a paste containing catalyst-carrying conductive particles carrying a catalyst on conductive particles and an electrolyte. The transfer is performed by bringing one surface of the polymer electrolyte membrane into contact with the catalyst layer, pressing between the other surface of the sheet member and the other surface of the polymer electrolyte membrane, pressurizing and hot pressing, and then peeling the sheet member. Thus, a joined body of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer is formed.
この方法で膜電極接合体を製造した場合、拡散層12b、13bを構成している導電性繊維が高分子電解質膜11に突き刺さる恐れがあり高分子電解質膜11にダメージが与えられる恐れがあった。また導電性繊維の突き刺しによって燃料極と酸化剤極とが電気的に短絡する恐れがあった。特許文献1には、触媒層を高分子電解質膜に転写して膜電極接合体を製造する方法において、拡散層の突起部の表面に絶縁層を形成した高分子電解質型燃料電池が記載されている。特許文献1の燃料電池では、電気的短絡は低減できるが、高分子電解質膜中のプロトン伝導経路の妨げとなり性能低下が避けられない。
When a membrane / electrode assembly is manufactured by this method, there is a possibility that the conductive fibers constituting the
膜電極接合体10の別の製造方法として、燃料極用の拡散層12b上に燃料極用触媒層12aを塗布法により形成し燃料極12を製造し、酸化剤極用の拡散層13b上に酸化剤極用触媒層13aを塗布法により形成し酸化剤極13を製造したのち、高分子電解質膜11の一方面に燃料極12を、他方面に酸化剤極13を接合する方法が知られている。この方法であっても、液状で塗布する限り染み込みにより突起部分は残り、導電性繊維の高分子電解質膜11への突き刺しを完全には防止できない。この場合の塗布法は、触媒を含む液状物を拡散層の一方面に直接塗布してから乾燥する方法であり、コーティングスクリーン印刷、ドクターブレード法、スプレー塗布法、ディッピング法などがある。
As another manufacturing method of the
いずれの方法においても、触媒を含む液状物が拡散層へ染み込む問題点がある。これにより拡散層の微少な表面形状や気孔率のバラツキにより染み込み量が変わり、均一な厚みの触媒層が得られない問題点がある。また触媒利用率(触媒層中のすべての触媒に対する電極反応に寄与する触媒の比率)が低下し、燃料電池の発電性能が低下する問題点がある。さらに拡散層の拡散性能も阻害されるため、燃料や酸化剤の供給が阻害され、燃料電池の発電性能が低下する問題点がある。 In any method, there is a problem that the liquid containing the catalyst soaks into the diffusion layer. As a result, there is a problem that the amount of permeation changes due to the minute surface shape and porosity variation of the diffusion layer, and a catalyst layer having a uniform thickness cannot be obtained. Further, there is a problem that the catalyst utilization rate (ratio of the catalyst contributing to the electrode reaction with respect to all the catalysts in the catalyst layer) is lowered, and the power generation performance of the fuel cell is lowered. Furthermore, since the diffusion performance of the diffusion layer is also hindered, there is a problem that the supply of fuel and oxidant is hindered and the power generation performance of the fuel cell is lowered.
触媒の拡散層への染み込みを防止する方法として、特許文献2には触媒層とガス拡散層との間に中間層を設けた高分子電解質型燃料電池用電極が記載されている。具体的には、塗布法により中間層を形成したのち、中間層上に塗布法により触媒層を形成するか、塗布法により触媒層を複数回形成することが記載されている。触媒層の染み込みを防止するために中間層や下地の触媒層の気孔率を小さくする方が望ましいと記載されている。
本発明は上記課題を解決したもので、触媒層の拡散層への染み込みを低減でき、かつ触媒層の亀裂発生を抑制できる燃料電池用電極の製造方法および発電性能に優れた燃料電池を提供する。 The present invention solves the above-described problems, and provides a fuel cell electrode manufacturing method and a fuel cell excellent in power generation performance that can reduce the penetration of the catalyst layer into the diffusion layer and suppress the crack generation of the catalyst layer. .
上記技術的課題を解決するために、請求項1の発明では、流体透過性と電気伝導性を有する拡散層を準備する拡散層準備工程と、前記拡散層の一方面に中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層の上に転写法により触媒層を形成する触媒層形成工程が設けられていることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法としている。
In order to solve the above technical problem, in the invention of
請求項2の発明では、前記中間層が、塗布法により形成した層であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極の製造方法としている。 According to a second aspect of the present invention, in the method for producing a fuel cell electrode according to the first aspect, the intermediate layer is a layer formed by a coating method.
請求項3の発明では、前記中間層は、電解質層、導電性粒子層、触媒層のいずれかであることを特徴とする請求項2記載の燃料電池用電極の製造方法としている。 According to a third aspect of the present invention, the intermediate layer is any one of an electrolyte layer, a conductive particle layer, and a catalyst layer. The method for producing a fuel cell electrode according to the second aspect is provided.
請求項4の発明では、前記中間層が、転写法により形成した電解質層であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極の製造方法としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell electrode manufacturing method according to the first aspect, wherein the intermediate layer is an electrolyte layer formed by a transfer method.
請求項5の発明では、請求項1〜4のいずれかの製造方法で製造された燃料電池用電極が設けられ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 characterized in that an electrode for a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of the first to fourth aspects is provided.
請求項1の発明によれば、拡散層の上に中間層を形成し、その上に触媒層を転写法により形成しているので、触媒層の拡散層への染み込みを低減できると共に触媒層の亀裂発生を抑制できる効果がある。
According to the invention of
請求項2の発明によれば、中間層を塗布法により形成しているので、拡散層や中間層の接触抵抗を低減できるという効果がある。また意図的に拡散層の触媒層側の細孔を緻密にする(埋める)ことにより、ガスなどの流体の拡散性や水排出性をコントロールできるという効果がある。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、塗布法で形成された中間層として電解質層、導電性粒子層、触媒層のいずれかを使用しているので、電解質層の場合は触媒層との接触抵抗(イオン伝導抵抗)を低減でき、導電性粒子層の場合は電気抵抗を低減でき、触媒層の場合は中間層も触媒機能を有するので、亀裂発生することなく触媒層の担持量を増やすことができるという効果がある。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、中間層として電解質層を転写法により形成しているので、中間層による拡散層の細孔変化を低減できるという効果がある。 According to the invention of claim 4, since the electrolyte layer is formed by the transfer method as the intermediate layer, there is an effect that the change in the pores of the diffusion layer due to the intermediate layer can be reduced.
請求項5の発明によれば、触媒層の拡散層への染み込みを低減し、かつ触媒層の亀裂発生を抑制した燃料電池用電極を用いているので、燃料電池の発電性能を向上できるという効果がある。 According to the invention of claim 5, since the fuel cell electrode in which the penetration of the catalyst layer into the diffusion layer is reduced and the crack generation of the catalyst layer is suppressed is used, the power generation performance of the fuel cell can be improved. There is.
本発明者は転写法により触媒層を拡散層上に形成すれば、触媒の拡散層への染み込みを防止でき、触媒層の亀裂発生を防止できるのではと考えた。しかし、多孔体である拡散層に触媒層を転写することが難しかった。できたとしても触媒層と拡散層との接触面積が十分でなく、電気抵抗が大きくなり、燃料電池の発電性能が低下する問題点があった。 The present inventor considered that if the catalyst layer is formed on the diffusion layer by the transfer method, the catalyst can be prevented from seeping into the diffusion layer and cracking of the catalyst layer can be prevented. However, it was difficult to transfer the catalyst layer to the porous diffusion layer. Even if it is possible, the contact area between the catalyst layer and the diffusion layer is not sufficient, the electric resistance is increased, and the power generation performance of the fuel cell is lowered.
本発明者は鋭意研究し本発明に至った。すなわち、拡散層の上に中間層を形成後、その中間層の上に触媒層を転写法により形成すれば、触媒層の転写ができ、触媒の拡散層への染み込みも、触媒層の亀裂発生も低減できることを見いだした。 The inventor has intensively studied to arrive at the present invention. In other words, if an intermediate layer is formed on the diffusion layer and then the catalyst layer is formed on the intermediate layer by the transfer method, the catalyst layer can be transferred, and the catalyst can penetrate into the diffusion layer, and the catalyst layer can crack. Also found that it can be reduced.
図1は本発明の燃料電池用電極の製造工程を説明するフローチャート図である。はじめに拡散層を準備する(ステップS1:拡散層準備工程)。拡散層は燃料または酸化剤を透過させるための流体透過性(流体拡散性)が必要である。また拡散層は電子を伝導する必要があるため電気伝導性が必要である。このため導電性材料(導電性繊維や導電性粒子など)の多孔体が使用される。一般的に拡散層には燃料や酸化剤あるいは電極反応に対する耐腐食性を有することが必要とされるので、導電性材料にはカーボン繊維やカーボン粒子などのカーボン材料が使用されることが多い。なかでもカーボン繊維が多用されている。拡散層準備工程では、燃料電池に必要な形状の拡散層を購入しても、拡散層を形成する素材からできた大きなシートから打ち抜き等により必要な形状に加工して準備してもよい。また拡散層に撥水処理等の処理を施してもよい。この処理は前記の拡散層打ち抜き加工より前に行っても後で行ってもよい。 FIG. 1 is a flow chart for explaining the manufacturing process of the fuel cell electrode of the present invention. First, a diffusion layer is prepared (step S1: diffusion layer preparation step). The diffusion layer needs to have fluid permeability (fluid diffusibility) to allow fuel or oxidant to permeate therethrough. Further, since the diffusion layer needs to conduct electrons, it needs electrical conductivity. For this reason, a porous body of a conductive material (conductive fiber, conductive particle, etc.) is used. In general, the diffusion layer is required to have corrosion resistance against a fuel, an oxidant, or an electrode reaction. Therefore, carbon materials such as carbon fibers and carbon particles are often used as the conductive material. Among them, carbon fiber is frequently used. In the diffusion layer preparation step, a diffusion layer having a shape necessary for the fuel cell may be purchased or may be prepared by punching a large sheet made of a material forming the diffusion layer into a necessary shape. Further, the diffusion layer may be subjected to a treatment such as a water repellent treatment. This treatment may be performed before or after the diffusion layer punching process.
本発明で使用する拡散層の気孔率としては、10〜80%であることが望ましい。さらには20〜60%、30〜50%が望ましい。気孔率が小さすぎると流体(燃料や酸化剤)の透過性が不足する恐れがある。気孔率が大きすぎると拡散層表面の凹凸が大きく中間層を設けても触媒層の転写に影響を与える恐れがある。これらに加えて、塗布法で中間層を形成した場合、気孔率が小さすぎると中間層と拡散層の接触が少ない恐れがあり、気孔率が大きすぎると中間層が染み込みすぎる恐れがある。 The porosity of the diffusion layer used in the present invention is preferably 10 to 80%. Furthermore, 20 to 60% and 30 to 50% are desirable. If the porosity is too small, the permeability of the fluid (fuel or oxidant) may be insufficient. If the porosity is too large, the unevenness of the diffusion layer surface is large, and even if an intermediate layer is provided, the transfer of the catalyst layer may be affected. In addition to these, when the intermediate layer is formed by a coating method, if the porosity is too small, the contact between the intermediate layer and the diffusion layer may be small, and if the porosity is too large, the intermediate layer may be soaked too much.
次に、拡散層の一方面に中間層を形成する(ステップS2:中間層形成工程)。中間層を形成する方法や種類(成分等)は特に限定されない。しかし、中間層を形成する方法としては塗布法や転写法が望ましい。塗布法では、電解質の溶媒でもある液体中に各成分を溶解または分散したペーストを作製し、このペーストを拡散層の一方面上にドクターブレード等により層状に塗布したのち乾燥する。溶媒としては水、低級アルコール(メタノール、エタノール、ノルマルプロパノール、イソプロパノール、イソブタノール)や非プロトン性溶媒(ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド)などを例示できる。転写法では、電解質の溶媒でもある液体中に各成分を溶解または分散したペーストを作製し、このペーストをエチレン・4フッ化エチレン共重合樹脂製のシート(以下ETFEシートともいう)などの膜状のシート部材にドクターブレード等により層状に塗布・乾燥したのち、拡散層の転写する側の面と接合してからETFEシートを剥離する。中間層の厚さとしては乾燥状態で0.5〜1.0μmであることが望ましい。さらには1〜7μm、2〜5μmが望ましい。 Next, an intermediate layer is formed on one surface of the diffusion layer (step S2: intermediate layer forming step). There are no particular limitations on the method and type (components, etc.) for forming the intermediate layer. However, as a method for forming the intermediate layer, a coating method or a transfer method is desirable. In the coating method, a paste is prepared by dissolving or dispersing each component in a liquid that is also a solvent for the electrolyte, and this paste is applied to one side of the diffusion layer by a doctor blade or the like and then dried. Examples of the solvent include water, lower alcohols (methanol, ethanol, normal propanol, isopropanol, isobutanol) and aprotic solvents (dimethyl sulfoxide, dimethylformamide). In the transfer method, a paste is prepared by dissolving or dispersing each component in a liquid that is also an electrolyte solvent, and this paste is formed into a film such as a sheet made of ethylene / tetrafluoroethylene copolymer resin (hereinafter also referred to as ETFE sheet). The sheet member is coated and dried in a layer form with a doctor blade or the like, and then bonded to the transfer side surface of the diffusion layer, and then the ETFE sheet is peeled off. The thickness of the intermediate layer is preferably 0.5 to 1.0 μm in a dry state. Furthermore, 1-7 micrometers and 2-5 micrometers are desirable.
中間層を塗布法により形成すれば、拡散層や中間層の接触抵抗を低減でき、また意図的に拡散層の触媒層側の細孔を緻密にする(埋める)ことにより、ガスなどの流体の拡散性や水排出性をコントロールできる。 中間層の種類としては、塗布法の場合には電解質層、導電性粒子層、触媒層などを例示でき、転写法の場合には電解質層などを例示できる。電解質層の場合は触媒層との接触抵抗(イオン伝導抵抗)を低減できる。導電性粒子層の場合は電気抵抗を低減できる。触媒層の場合は中間層も触媒機能を有するので、亀裂発生することなく触媒層の担持量を増やすことができる。中間層として電解質層を転写法により形成すれば、中間層による拡散層の細孔変化を低減できる。 If the intermediate layer is formed by a coating method, the contact resistance of the diffusion layer and the intermediate layer can be reduced, and the pores on the catalyst layer side of the diffusion layer are intentionally made dense (filled), so that the fluid such as gas can be removed. Can control diffusivity and water discharge. Examples of the intermediate layer include an electrolyte layer, a conductive particle layer, and a catalyst layer in the case of a coating method, and an electrolyte layer in the case of a transfer method. In the case of the electrolyte layer, the contact resistance (ion conduction resistance) with the catalyst layer can be reduced. In the case of a conductive particle layer, electric resistance can be reduced. In the case of the catalyst layer, since the intermediate layer also has a catalytic function, the supported amount of the catalyst layer can be increased without causing cracks. If the electrolyte layer is formed as the intermediate layer by a transfer method, changes in the pores of the diffusion layer due to the intermediate layer can be reduced.
電解質層は、イオン交換樹脂などの電解質を主成分とする層で、電解質の含有率が乾燥重量換算で50%以上、70%以上、80%以上、90%以上、100%のものを例示できる。導電性粒子層は導電性粒子を主成分とする層で、カーボン粒子等の導電性粒子と電解質が混合されているもの、カーボン粒子等の導電性粒子とポリテトラフルオロエチレン(以下PTFEともいう)等の撥水性材料と電解質が混合されているものを例示できる。触媒層は触媒が含まれている層で、触媒を導電性粒子に担持した触媒担持導電性粒子とPTFE等の撥水性材料と電解質が混合されているものを例示できる。触媒としては白金・白金とルテニウムの合金などの貴金属触媒を例示できるが、これに限定されるものではない。貴金属触媒ではない触媒の場合、導電性粒子などの触媒担体粒子に担持することなく触媒自身で形成された粒子をそのまま用いてもよい。 The electrolyte layer is a layer containing an electrolyte such as an ion exchange resin as a main component, and the electrolyte content can be 50% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, 100% in terms of dry weight. . The conductive particle layer is a layer mainly composed of conductive particles, in which conductive particles such as carbon particles are mixed with an electrolyte, conductive particles such as carbon particles, and polytetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as PTFE). For example, a mixture of a water-repellent material such as an electrolyte and an electrolyte. The catalyst layer is a layer containing a catalyst and can be exemplified by a mixture of catalyst-carrying conductive particles carrying a catalyst on conductive particles, a water repellent material such as PTFE, and an electrolyte. Examples of the catalyst include noble metal catalysts such as platinum and an alloy of platinum and ruthenium, but are not limited thereto. In the case of a catalyst that is not a noble metal catalyst, particles formed by the catalyst itself without being supported on catalyst carrier particles such as conductive particles may be used as they are.
電解質層、導電性粒子層、触媒層に使用される電解質として同じ電解質を使用しても、異なる電解質を使用してもよい。同じ電解質を使用すれば界面を通して互いに混ざっても支障がないので望ましい。電解質としてはデュポン株式会社製のNafion、旭化成株式会社製のAciplex、旭硝子株式会社製のFlemionなどを例示できる。 The same electrolyte may be used as the electrolyte used for the electrolyte layer, the conductive particle layer, and the catalyst layer, or different electrolytes may be used. If the same electrolyte is used, there is no problem even if they are mixed with each other through the interface. Examples of the electrolyte include Nafion manufactured by DuPont, Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.
次に中間層形成工程により形成された中間層の上に転写法により触媒層を形成する(ステップS3:触媒層形成工程)。転写法、触媒層は中間層で説明したものと同様の方法、同様のものである。触媒層の転写条件は特に限定されないが、圧力として3〜20MPaが好ましく、5〜15MPa、8〜12MPaがより好ましい。温度としては100〜180℃が好ましく、110〜160℃、120〜150℃がより好ましい。時間としては10秒〜30分が好ましく、30秒〜10分、1〜3分がより好ましい。中間層上に転写法により触媒層を形成することにより、触媒層の拡散層への染み込みを防止できる。また亀裂発生なしに触媒層を形成できる。 Next, a catalyst layer is formed by a transfer method on the intermediate layer formed by the intermediate layer forming step (step S3: catalyst layer forming step). The transfer method and the catalyst layer are the same method and the same as those described for the intermediate layer. The transfer conditions for the catalyst layer are not particularly limited, but the pressure is preferably 3 to 20 MPa, more preferably 5 to 15 MPa, and 8 to 12 MPa. As temperature, 100-180 degreeC is preferable and 110-160 degreeC and 120-150 degreeC are more preferable. The time is preferably 10 seconds to 30 minutes, more preferably 30 seconds to 10 minutes, and 1 to 3 minutes. By forming the catalyst layer on the intermediate layer by a transfer method, the penetration of the catalyst layer into the diffusion layer can be prevented. Moreover, a catalyst layer can be formed without crack generation.
燃料極、酸化剤極の少なくとも一方の燃料電池用電極は、この製造方法によって製造される。製造された燃料極と酸化剤極のそれぞれの触媒層を高分子電解質膜に当接するように燃料極と酸化剤極で高分子電解質膜を挟んでホットプレスし膜電極接合体を製造する。膜電極接合体の両面にセパレータを配置して燃料電池を製造する。 The fuel cell electrode of at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode is manufactured by this manufacturing method. The membrane electrode assembly is manufactured by hot pressing the polymer electrolyte membrane between the fuel electrode and the oxidant electrode so that the catalyst layers of the produced fuel electrode and oxidant electrode are in contact with the polymer electrolyte membrane. A fuel cell is manufactured by arranging separators on both surfaces of the membrane electrode assembly.
図2は、本発明の燃料電池用電極を模式的に示す説明断面図である。この図は表面付近のみを拡大して示している。拡散層1の上に中間層2が形成され、その上に触媒層3が形成されている。ここでは中間層2、触媒層3がそれぞれ1層のみの例で示しているが、それぞれ多層構造でもよく、多層構造の中間に異なる層があってもよい(例えば、複数の触媒層の中間に電解質層が形成されている構造)。
FIG. 2 is an explanatory sectional view schematically showing the fuel cell electrode of the present invention. This figure shows only the vicinity of the surface in an enlarged manner. An
拡散層1は多孔体であるので、表面を微視的に見れば凹凸になっている。この凹部(気孔部分)に中間層2が侵入した状態となっている。中間層2を塗布法で形成した場合には染み込みによって中間層2が拡散層1の凹部に侵入した状態になる。中間層2を転写法で形成した場合には中間層2の柔軟性により転写時に中間層2が拡散層1の凹部に侵入した状態になる。拡散層1に中間層2の一部が侵入しているので、中間層や触媒層の膨潤収縮が生じても剥離しない接着力を確保できる。中間層2を転写法で形成した場合、拡散層1への侵入は最小限できる(中間層2の拡散層1への染み込みは実質的にない状態)ので、触媒層3を拡散層1への染み込みなしに形成できる。触媒層3の染み込みがなくなるため拡散層1と触媒層3との界面付近における撥水性低下を防ぐことができる。また、染み込みによる拡散層1の拡散性低下が防げ、特に高電流密度域での発電性能を向上できる。さらに、拡散層の撥水性低下を防ぐことができ、耐久性を向上できる。しかも、マスキングなしに必要な部分のみに触媒層を形成できる。触媒の染み込みがなければ、触媒利用率の向上も期待できる。
Since the
塗布法により中間層を形成する場合、塗布量を制御することが好ましい。塗布量としては拡散層に中間層の材料が染み込み過ぎず、かつ拡散層表面の凹凸が十分緩和される状態が好ましい。そのための塗布量としては、拡散層の種類(素材・気孔率など)、中間層の材質、中間層用ペーストの性質(粘度など)にもよるが、拡散層の単位面積当たり換算の乾燥重量で0.05〜5.0mg/cm2であることが好ましい。さらに好ましくは0.1〜3.0mg/cm2、0.15〜1.5mg/cm2であるとよい。(
また中間層2により凹部が埋められるので、凹凸が緩和された状態になっている。このため中間層2を含めた拡散層1と触媒層3との接触面積が大きくなる。この結果、触媒層3の拡散層1上への転写が可能となる。中間層2として電解質層や電解質を含む導電性粒子層、電解質を含む触媒層を使用し、触媒層3として電解質を含む触媒層を使用すれば、電解質同士の接着により触媒層3の転写が容易になる。さらに中間層2の上に触媒層3が転写法で形成されているので、触媒層3を比較的均一な厚さで形成することができる。このためには触媒層3としての導電性粒子層、触媒層には電解質が固形分換算で30%以上含まれていることが望ましい。さらに望ましくは電解質が固形分換算で40%以上、50%以上含まれているとよい。
When the intermediate layer is formed by a coating method, it is preferable to control the coating amount. The coating amount is preferably such that the material of the intermediate layer does not soak into the diffusion layer and the unevenness on the surface of the diffusion layer is sufficiently relaxed. The amount of coating for that purpose depends on the type of diffusion layer (material, porosity, etc.), the material of the intermediate layer, and the nature of the paste for the intermediate layer (viscosity, etc.). It is preferable that it is 0.05-5.0 mg / cm < 2 >. More preferably 0.1-3.0 mg / cm 2, may is 0.15~1.5mg / cm 2. (
Further, since the concave portion is filled with the
図2においては、中間層2の表面から拡散層1の一部(突出部1a)が突き出た状態になっている。中間層2を導電性物質を含まない電解質層など導電性のない材料で形成した場合でも、拡散層1の突出部1aと触媒層3が接触するため、拡散層1と触媒層3の接触抵抗を小さくできる。中間層2として導電性粒子層、触媒層などの導電性の層を使用した場合、拡散層1と中間層2との接触抵抗を少なくでき、しいては拡散層1と触媒層3との接触抵抗を少なくすることができる利点がある。この場合には、中間層2の表面が拡散層1を完全に覆っていてもよい。
In FIG. 2, a part of the diffusion layer 1 (projection 1 a) protrudes from the surface of the
中間層2として触媒層を使用した場合には、中間層2の一部が拡散層1の凹部に侵入するためこれだけでは触媒利用率が低くなる。しかし、中間層2の上に触媒層3が転写法で形成されているので、中間層2の部分も触媒層3により高分子電解質膜との接触が確保され、触媒として機能するので、従来技術に比べて触媒利用率は向上できる。
When a catalyst layer is used as the
触媒層形成後、燃料電池用電極をイオン交換水に浸漬し、オートクレーブ装置内で127℃、0.175MPaに保持して1時間オートクレーブ処理を行ってもよい。これによりイオン交換水による室温もしくは煮沸処理よりも効果的に不純物を除去できる。有機溶媒の洗浄では電解質の一部が溶出する可能性があるが、その恐れもない。オートクレーブ処理は、中間層形成後に行っても、膜電極接合体を形成後に行ってもよい。また、高分子電解質膜に触媒層を転写して形成した膜触媒層接合体にも適用できる。オートクレーブ処理の条件は拡散層、中間層、触媒層の構成成分あるいは高分子電解質膜などに最適な条件を選択できる。 After the formation of the catalyst layer, the fuel cell electrode may be immersed in ion-exchanged water and kept at 127 ° C. and 0.175 MPa in an autoclave apparatus and autoclaved for 1 hour. Thereby, impurities can be removed more effectively than room temperature or boiling treatment with ion-exchanged water. In washing with an organic solvent, a part of the electrolyte may be eluted, but there is no fear of it. The autoclave treatment may be performed after the intermediate layer is formed or after the membrane electrode assembly is formed. The present invention can also be applied to a membrane / catalyst layer assembly formed by transferring a catalyst layer to a polymer electrolyte membrane. The conditions for the autoclave treatment can be selected optimally for the constituent components of the diffusion layer, intermediate layer, catalyst layer, polymer electrolyte membrane, and the like.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
拡散層の基材として、カーボンペーパーTGH−H−60(東レ株式会社製)を使用した。カーボンペーパーにカーボン粒子(Vulcan XC-72R)とポリテトラフルオロエチレンディスパージョン(ポリフロンD1:ダイキン工業株式会社製)を混合・分散したペーストを含浸し、乾燥し、380℃・1時間焼成し、撥水処理した拡散層を作製した。 Carbon paper TGH-H-60 (manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the base material of the diffusion layer. Carbon paper (Vulcan XC-72R) and polytetrafluoroethylene dispersion (Polyflon D1: manufactured by Daikin Industries, Ltd.) are mixed and dispersed in carbon paper, impregnated, dried, baked at 380 ° C. for 1 hour, and repellent. A water-treated diffusion layer was prepared.
白金担持カーボンTEC10E70TPM(田中貴金属株式会社製:白金担持率67重量%)10g、高分子電解質溶液SS−1100/05(旭化成株式会社製:高分子電解質含有率5重量%)82.5g、イオン交換水34gをサンドミルにて1時間分散し、触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストの電解質/カーボン比は1.25である。ここで電解質/カーボン比とは触媒ペーストあるいは触媒層中のカーボンに対する電解質固形分の重量比である。白金担持カーボンは、触媒として白金、導電性粒子としてカーボン粒子を使用した触媒担持導電性粒子である。 Platinum-supported carbon TEC10E70TPM (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd .: platinum support rate 67 wt%) 10 g, polymer electrolyte solution SS-1100 / 05 (Asahi Kasei Co., Ltd .: polymer electrolyte content 5 wt%) 82.5 g, ion exchange 34 g of water was dispersed in a sand mill for 1 hour to prepare a catalyst paste. The electrolyte / carbon ratio of this catalyst paste is 1.25. Here, the electrolyte / carbon ratio is the weight ratio of the electrolyte solid to the carbon in the catalyst paste or catalyst layer. Platinum-supporting carbon is catalyst-supporting conductive particles using platinum as a catalyst and carbon particles as conductive particles.
得られた触媒ペーストを撥水処理をした拡散層上にドクターブレードにて触媒担持重量0.2mg/cm2となるように塗布・乾燥し、拡散層上に第1触媒層を作製したのち、拡散層ごと59cm2の面積に打ち抜いた。 The obtained catalyst paste was applied and dried on a diffusion layer treated with water repellency by a doctor blade so as to have a catalyst supporting weight of 0.2 mg / cm 2, and a first catalyst layer was formed on the diffusion layer. The entire diffusion layer was punched out to an area of 59 cm 2 .
次に上記の触媒ペーストを膜状のシート部材である厚さ50μmのETFEシート上にドクターブレードにて塗布・乾燥し、ETFEシート上に第2触媒層(乾燥膜厚5μm、白金担持重量0.32mg/cm2)を形成した。これを59cm2の面積に打ち抜き、拡散層上に形成された第1触媒層に第2触媒層を当接させて、ホットプレス装置に挟んで150℃、10MPa、1分間ホットプレスした。その後、ETFEシートを剥離することにより第1触媒層上に第2触媒層を転写し、燃料電池用電極を作製した。第2触媒層の転写率は100%であった。転写率とは、転写前の層の面積に対するETFEシート上に残っていない層の面積の比率である。すなわち、転写前にETFEシート上の層のうち転写された層の面積の比率である。また第2触媒層に亀裂は見られなかった。第1触媒層と第2触媒層を合わせた合計触媒担持重量0.52mg/cm2である。 Next, the above catalyst paste was applied and dried with a doctor blade onto a 50 μm thick ETFE sheet, which is a film-like sheet member, and the second catalyst layer (dry film thickness 5 μm, platinum carrying weight 0. 32 mg / cm 2 ) was formed. This was punched out to an area of 59 cm 2 , the second catalyst layer was brought into contact with the first catalyst layer formed on the diffusion layer, and hot-pressed at 150 ° C. and 10 MPa for 1 minute with a hot press apparatus. Thereafter, the ETFE sheet was peeled off to transfer the second catalyst layer onto the first catalyst layer to produce a fuel cell electrode. The transfer rate of the second catalyst layer was 100%. The transfer rate is the ratio of the area of the layer not remaining on the ETFE sheet to the area of the layer before transfer. That is, the ratio of the area of the transferred layer among the layers on the ETFE sheet before transfer. Further, no crack was observed in the second catalyst layer. The total catalyst supporting weight of the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.52 mg / cm 2 .
実施例1と同様に作製した撥水処理した拡散層上にドクターブレードにて高分子電解質溶液SS−1100/05のみを塗布・乾燥し、電解質層(乾燥膜厚2μm、電解質担持重量0.18mg/cm2)を作製したのち、拡散層ごと59cm2の面積に打ち抜いた。次に、実施例1と同様の触媒ペーストをETFEシートにドクターブレードにて塗布・乾燥し、ETFEシート上に触媒層(乾燥膜厚7μm、触媒担持重量0.65mg/cm2)を形成した。これを59cm2の面積に打ち抜き、拡散層上に形成された電解質層に触媒層を当接させて、ホットプレス装置に挟んで150℃、10MPa、1分間ホットプレスした。その後、ETFEシートを剥離することにより電解質層上に触媒層を転写し、燃料電池用電極を作製した。触媒層の転写率は100%であり、触媒層に亀裂は見られなかった。
The polymer electrolyte solution SS-1100 / 05 alone was applied and dried with a doctor blade on the water-repellent diffusion layer produced in the same manner as in Example 1, and the electrolyte layer (
実施例1と同様の触媒ペーストを撥水処理をした拡散層上にドクターブレードにて触媒担持重量0.59mg/cm2となるように塗布・乾燥し、拡散層上に触媒層を作製したのち、拡散層ごと59cm2の面積に打ち抜いて、燃料電池用電極を作製した。 After applying a catalyst paste similar to that of Example 1 on a water-repellent diffusion layer with a doctor blade to a catalyst loading weight of 0.59 mg / cm 2 and drying, a catalyst layer was formed on the diffusion layer. Then, the entire diffusion layer was punched out to an area of 59 cm 2 to produce a fuel cell electrode.
(電池性能評価)
実施例1、2および比較例1で作製した燃料電池用電極を酸化剤極として使用して燃料電池セルを作製し、電池性能を評価した。
(Battery performance evaluation)
A fuel cell was produced using the fuel cell electrode produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 as an oxidant electrode, and the battery performance was evaluated.
燃料極は次のように作製したものを使用した。白金ルテニウム担持カーボン(田中貴金属株式会社製 TEC62E58:白金担持率27.2重量%、ルテニウム担持率28.8重量%)10g、高分子電解質溶液(SS−1100/05)110g、イオン交換水34gをサンドミルにて1時間分散し、燃料極用触媒ペーストを作製した。得られた燃料極用触媒ペーストを実施例1と同様の撥水処理をした拡散層上にドクターブレードにて白金担持重量が0.22mg/cm2になるように塗布・乾燥し、拡散層上に触媒層を作製したのち、拡散層ごと59cm2の面積に打ち抜いて、燃料極(燃料電池用電極)を作製した。 The fuel electrode manufactured as follows was used. Platinum ruthenium-supported carbon (TEC62E58: Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. TEC62E58: platinum support rate 27.2 wt%, ruthenium support rate 28.8 wt%) 10 g, polymer electrolyte solution (SS-1100 / 05) 110 g, ion-exchanged water 34 g Dispersion was carried out with a sand mill for 1 hour to prepare a fuel electrode catalyst paste. The obtained fuel electrode catalyst paste was applied onto a diffusion layer subjected to the same water repellent treatment as in Example 1 and dried with a doctor blade so that the platinum carrying weight was 0.22 mg / cm 2. After preparing the catalyst layer, the entire diffusion layer was punched out to an area of 59 cm 2 to prepare a fuel electrode (fuel cell electrode).
高分子電解質膜としてジャパンゴアテックス株式会社製のゴア30−III−B(厚さ30μm)を使用した。高分子電解質膜の一方面に酸化剤極の触媒層が当接するように酸化剤極を配置し、高分子電解質膜の他方面に燃料極の触媒層が当接するように燃料極を配置し、酸化剤極、燃料極の各拡散層の外側からホットプレス装置で挟んで100℃、4MPa、3分間ホットプレスして膜電極接合体を作製した。 As a polymer electrolyte membrane, Gore 30-III-B (thickness 30 μm) manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd. was used. An oxidant electrode is disposed so that the catalyst layer of the oxidant electrode is in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode is disposed so that the catalyst layer of the fuel electrode is in contact with the other surface of the polymer electrolyte membrane, A membrane / electrode assembly was manufactured by sandwiching between the outer layers of the oxidant electrode and the fuel electrode with a hot press device and hot pressing at 100 ° C. and 4 MPa for 3 minutes.
作製した膜電極接合体の両面にセパレータを配置し、発電特性(電流−電圧特性)を測定した。燃料極には水素ガスを利用率85%で、酸化剤極には空気を利用率40%で導入した。また、電池温度は77℃とし、水素ガスを露点57℃になるように加湿し、空気を露点60℃になるように加湿した。 Separators were placed on both surfaces of the produced membrane electrode assembly, and power generation characteristics (current-voltage characteristics) were measured. Hydrogen gas was introduced into the fuel electrode at a utilization rate of 85%, and air was introduced into the oxidizer electrode at a utilization rate of 40%. The battery temperature was 77 ° C., hydrogen gas was humidified to a dew point of 57 ° C., and air was humidified to a dew point of 60 ° C.
図4に測定した電流−電圧特性を示す。実施例1、2は比較例3に比べ発電性能が優れている。これは拡散層への触媒層の染み込みが抑制されたためと考えられる。特に実施例1は触媒担持重量が他に比べてかなり少ないにもかかわらず最も優れた性能を有している。なお、実施例1、2では本発明を酸化剤極に適用しているが、燃料極に適用しても同様の効果を奏することはいうまでもない。 FIG. 4 shows the measured current-voltage characteristics. Examples 1 and 2 are superior in power generation performance to Comparative Example 3. This is presumably because the penetration of the catalyst layer into the diffusion layer was suppressed. In particular, Example 1 has the most excellent performance even though the catalyst loading weight is considerably smaller than the others. In the first and second embodiments, the present invention is applied to the oxidizer electrode, but it goes without saying that the same effect can be obtained even when applied to the fuel electrode.
次に、中間層を転写法で形成した実施例を示す。 Next, an example in which the intermediate layer is formed by a transfer method is shown.
拡散層の基材として、カーボンペーパーTGH−H−60(東レ株式会社製)を使用した。カーボンペーパーにカーボン粒子(Vulcan XC-72R)とポリテトラフルオロエチレンディスパージョン(ポリフロンD1:ダイキン工業株式会社製)を混合・分散したペーストを含浸し、乾燥し、380℃・1時間焼成し、59cm2の面積に打ち抜いて拡散層を作製した。 Carbon paper TGH-H-60 (manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the base material of the diffusion layer. Carbon paper (Vulcan XC-72R) and polytetrafluoroethylene dispersion (Polyflon D1: manufactured by Daikin Industries Co., Ltd.) mixed and dispersed in carbon paper are impregnated and dried, dried, baked at 380 ° C. for 1 hour, 59 cm A diffusion layer was produced by punching out to an area of 2 .
電解質としてフッ素系高分子電解質(パーフルオロスルホン酸系電解質)を使用した。この電解質をアルコール系溶媒(水とエタノールが重量比で1:1で混合されている溶媒)に溶解させた高分子電解質溶液SS−1100/05(旭化成株式会社製:高分子電解質含有率5重量%)を膜状のシート部材である厚さ50μmのETFEシート上にドクターブレードにて塗布・乾燥し(乾燥膜厚2μm、電解質担持重量0.18mg/cm2)、ETFEシート上に電解質層を形成した。これを59cm2の面積に打ち抜き、拡散層の一方面に電解質層を当接させて、ホットプレス装置に挟んで150℃、10MPa、1分間ホットプレスした。その後、ETFEシートを剥離することにより拡散層上に電解質層を転写した。電解質層の転写率は100%であった。
A fluorine-based polymer electrolyte (perfluorosulfonic acid-based electrolyte) was used as the electrolyte. A polymer electrolyte solution SS-1100 / 05 (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd .: polymer electrolyte content: 5% by weight) obtained by dissolving this electrolyte in an alcohol solvent (a solvent in which water and ethanol are mixed at a weight ratio of 1: 1) %) Is applied and dried with a doctor blade onto a 50 μm thick ETFE sheet, which is a film-like sheet member (
次に、白金担持カーボンTEC10E70TPM(発明者殿:届出書ではT10E70TPMになっていましたが、他の実施例に合わせました。ご確認ください。)(田中貴金属株式会社製:白金担持率67重量%)10g、高分子電解質溶液SS−1100/05(旭化成株式会社製:高分子電解質含有率5重量%)82.5g、イオン交換水34gをサンドミルにて1時間分散し、触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストの電解質/カーボン比は1.25である。 Next, platinum-supported carbon TEC10E70TPM (Inventor: T10E70TPM in the notification form, but adapted to other examples. Please check) ) 10 g, polymer electrolyte solution SS-1100 / 05 (manufactured by Asahi Kasei Corporation: polymer electrolyte content 5% by weight), and 82.5 g of ion exchanged water 34 g were dispersed in a sand mill for 1 hour to prepare a catalyst paste. The electrolyte / carbon ratio of this catalyst paste is 1.25.
得られた触媒ペーストを膜状のシート部材である厚さ50μmのETFEシート上にドクターブレードにて塗布・乾燥し(乾燥膜厚5μm、白金担持重量0.32mg/cm2)、ETFEシート上に触媒層を形成した。これを59cm2の面積に打ち抜き、拡散層上に形成された電解質層に触媒層を当接させて、ホットプレス装置に挟んで150℃、10MPa、1分間ホットプレスした。その後、ETFEシートを剥離することにより電解質層上に触媒層を転写し、燃料電池用電極を作製した。触媒層の転写率は100%であり、触媒層に亀裂は見られなかった。 The obtained catalyst paste was applied and dried with a doctor blade onto a 50 μm thick ETFE sheet, which is a film-like sheet member (dry film thickness 5 μm, platinum carrying weight 0.32 mg / cm 2 ), and then onto the ETFE sheet. A catalyst layer was formed. This was punched out to an area of 59 cm 2 , the catalyst layer was brought into contact with the electrolyte layer formed on the diffusion layer, and hot-pressed at 150 ° C. and 10 MPa for 1 minute with a hot press apparatus. Then, the catalyst layer was transferred onto the electrolyte layer by peeling off the ETFE sheet, and a fuel cell electrode was produced. The transfer rate of the catalyst layer was 100%, and no crack was observed in the catalyst layer.
白金担持カーボンTEC10E70TPMを10g、SS−1100/05を264g、イオン交換水を34gの分量で混合して触媒ペーストを作製し(この触媒ペーストの電解質/カーボン比は4.0である。)、触媒層の乾燥膜厚を4μmとした以外、実施例3と同様にして燃料電池用電極を作製した。電解質層、触媒層とも転写率は100%であった。また触媒層に亀裂は見られなかった。 A catalyst paste was prepared by mixing 10 g of platinum-supported carbon TEC10E70TPM, 264 g of SS-1100 / 05, and 34 g of ion-exchanged water (the electrolyte / carbon ratio of this catalyst paste is 4.0). A fuel cell electrode was produced in the same manner as in Example 3 except that the dry film thickness of the layer was 4 μm. The transfer rate for both the electrolyte layer and the catalyst layer was 100%. Further, no crack was observed in the catalyst layer.
白金担持カーボンTEC10E70TPMを10g、SS−1100/05を132g、イオン交換水を34gの分量で混合して触媒ペーストを作製し(この触媒ペーストの電解質/カーボン比は2.0である。)、触媒層の乾燥膜厚を3μmとした以外、実施例3と同様にして燃料電池用電極を作製した。電解質層、触媒層とも転写率は100%であった。また触媒層に亀裂は見られなかった。 A catalyst paste was prepared by mixing 10 g of platinum-supported carbon TEC10E70TPM, 132 g of SS-1100 / 05, and 34 g of ion exchange water (the electrolyte / carbon ratio of this catalyst paste is 2.0), and the catalyst. A fuel cell electrode was produced in the same manner as in Example 3 except that the dry film thickness of the layer was 3 μm. The transfer rate for both the electrolyte layer and the catalyst layer was 100%. Further, no crack was observed in the catalyst layer.
実施例3で作製した触媒ペーストを用い、実施例3と同様にしてETFEシート上に触媒層を作製した。これを59cm2の面積に打ち抜き、実施例1と同様に準備した拡散層の一方面に触媒層を当接させて、ホットプレス装置に挟んで150℃、10MPa、1分間ホットプレスした。その後、ETFEシートを剥離することにより拡散層上に触媒層を転写した。2度作製したが、転写率は50%と39%であり、いずれもうまく転写できなかった。 Using the catalyst paste produced in Example 3, a catalyst layer was produced on the ETFE sheet in the same manner as in Example 3. This was punched out to an area of 59 cm 2 , the catalyst layer was brought into contact with one surface of the diffusion layer prepared in the same manner as in Example 1, and hot pressed at 150 ° C., 10 MPa for 1 minute, sandwiched between hot press devices. Thereafter, the catalyst layer was transferred onto the diffusion layer by peeling off the ETFE sheet. Although it was prepared twice, the transfer rates were 50% and 39%, and neither could transfer well.
以上のように、中間層を形成することにより触媒層を亀裂発生なしに転写することができるようになり、電池性能を向上させることができることがわかった。 As described above, it has been found that by forming the intermediate layer, the catalyst layer can be transferred without cracking, and the battery performance can be improved.
1…拡散層
2…中間層
3…触媒層
10…膜電極接合体
11…高分子電解質膜
12…燃料極
12a…燃料極用触媒層
12b…燃料極用の拡散層
13…酸化剤極
13a…酸化剤極用触媒層
13b…酸化剤極用の拡散層
14、15…セパレータ
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