JP2007188768A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子から成る電解質膜を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid polymer fuel cell that uses an electrolyte membrane made of a solid polymer and obtains electric energy by an electrochemical reaction.
固体高分子型燃料電池は、固体高分子から成る電解質膜を一対の触媒電極層で挟んで発電要素である単セルを構成し、一対の電極のうちの燃料極(アノード)に、水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、一対の電極のうちの空気極(カソード)に、酸素を含有する酸化ガス(空気)を供給し、各電極の電解質層側の面で下記式の電気化学反応を生じさせて、電極から電気エネルギを取り出すものである。 A polymer electrolyte fuel cell comprises a single cell as a power generation element with an electrolyte membrane made of a solid polymer sandwiched between a pair of catalyst electrode layers, and the fuel electrode (anode) of the pair of electrodes contains hydrogen And an oxidizing gas (air) containing oxygen to the air electrode (cathode) of the pair of electrodes, and an electrochemical reaction of the following formula on the surface of each electrode on the electrolyte layer side It is made to take out electric energy from an electrode.
燃料極反応: H2 → 2H+ + 2e− …(1)
空気極反応:2H+ + 2e− + (1/2)O2 → H2O …(2)
Fuel electrode reaction: H2 → 2H ++ 2e− (1)
Air electrode reaction: 2H + + 2e− + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
燃料極に対する燃料ガスの供給には、水素貯蔵装置から純水素である燃料ガスを直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質してこれを燃料ガスとして供給する方法が知られている。また、水素貯蔵装置には、高圧ガスタンク、液化水素タンク及び水素吸蔵合金タンク等があり、水素を含有する燃料には、天然ガス、メタノール及びガソリン等がある。他方、空気極に供給する酸化ガスには、一般的に空気が利用されている。 For supplying fuel gas to the fuel electrode, a method of directly supplying a fuel gas that is pure hydrogen from a hydrogen storage device, or a method of reforming a fuel containing hydrogen and supplying it as a fuel gas is known. . The hydrogen storage device includes a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, and the like, and the fuel containing hydrogen includes natural gas, methanol, gasoline, and the like. On the other hand, air is generally used as the oxidizing gas supplied to the air electrode.
さらに、固体高分子型燃料電池では、電解質膜を湿潤状態にしておく必要があり、電解質膜の性能を充分に引き出して発電効率を向上させるためには、電解質膜の水分量を最適に保つ必要がある。このため、固体高分子型燃料電池では、導入する燃料ガス及び酸化ガスに対して予め充分な加湿を行っている。 Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to keep the electrolyte membrane in a wet state, and in order to fully extract the performance of the electrolyte membrane and improve the power generation efficiency, it is necessary to keep the moisture content of the electrolyte membrane optimal. There is. For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell, the fuel gas and the oxidizing gas to be introduced are sufficiently humidified in advance.
上記の固体高分子型燃料電池は、自動車用や定置用の電源として様々な研究開発が行なわれており、燃料極及び酸素極で発生した電気エネルギを長期にわたって効率良く取り出すためには、低加湿から高加湿に至る範囲で安定した発電性能を発揮すると共に、耐久性に優れたものにする必要がある。 The polymer electrolyte fuel cell described above has been researched and developed as a power source for automobiles and stationary use. In order to efficiently extract the electric energy generated at the fuel electrode and the oxygen electrode over a long period of time, low humidification is required. In addition to exhibiting stable power generation performance in the range from high to high humidity, it is necessary to make it excellent in durability.
そして、従来の固体高分子型燃料電池としては、電解質膜と電極触媒層の間に、水の接触角が10度以下である無機化合物を含む層を配置することにより、電極触媒層内のイオン交換樹脂の乾燥による特性低下を防止し、とくに酸化ガスの低加湿運転や無加湿運転においても出力電圧低下が起こり難くし、高い電池出力を長期にわたり安定して得ることができるようにしたもの(特許文献1)や、電極触媒層とガス拡散層の間に保水層を配置することにより、ガス拡散層に高い水保持性を持たせて、燃料不足状況においても性能劣化を抑制するようにしたもの(特許文献2)が提案されていた。
ところが、上記したような従来の固体電解質型燃料電池にあっては、特許文献1に記載されたものでは、電解質膜と電極触媒層の間に配置した保水層として、水の接触角が10度以下である無機化合物を含む層を用いているが、触媒層を構成している材料の耐久性が充分ではないという問題点があり、一方、特許文献2に記載されたものでは、とくに高加湿運転時において、電極触媒層に対するガス拡散経路が保水層によって遮断され、発電性能が不充分になるという問題点があり、これらの問題点を解決することが課題となっていた。
However, in the conventional solid oxide fuel cell as described above, the one described in
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、耐久性に優れると共に、低加湿から高加湿に至る全て運転条件において、電極触媒層に対する良好なガス拡散性を維持して充分な発電性能を発揮することができる固体高分子型燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and is excellent in durability and maintains good gas diffusibility with respect to the electrode catalyst layer under all operating conditions from low humidification to high humidification. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of exhibiting sufficient power generation performance.
本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子から成る電解質膜の両側に、導電性担体であるカーボン担体に触媒粒子を担持した電極触媒と、プロトン伝導性電解質により形成した電極触媒層を備えている。そして、電解質膜と、燃料極及び空気極の少なくとも一方の電極触媒層の間に、カーボン担体及びプロトン伝導性電解質を含み且つ電極触媒層よりも高い保水性を有する保水層を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。 The solid polymer fuel cell of the present invention comprises an electrode catalyst having catalyst particles supported on a carbon carrier, which is a conductive carrier, and an electrode catalyst layer formed of a proton conductive electrolyte on both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer. I have. In addition, a water retention layer that includes a carbon carrier and a proton conductive electrolyte and has higher water retention than the electrode catalyst layer is provided between the electrolyte membrane and at least one electrode catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode. The above configuration is a means for solving the conventional problems.
本発明の固体高分子型燃料電池は、電解質膜と電極触媒層の間に、カーボン担体及びプロトン伝導性電解質を含み且つ電極触媒層よりも高い保水性を有する保水層を配置したことにより、電極触媒層中の水が保水層に円滑に移動することとなって、電極触媒層の触媒溶出耐性、カーボン担体の耐腐食性や電極触媒層に対する良好なガス拡散性が得られ、低加湿から高加湿に至る全ての運転条件において、安定した発電性能を長期にわたって発揮することができると共に、優れた耐久性を得ることができる。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a water retention layer containing a carbon support and a proton conductive electrolyte and having higher water retention than the electrode catalyst layer is disposed between the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer. The water in the catalyst layer moves smoothly to the water retention layer, so that the catalyst elution resistance of the electrode catalyst layer, the corrosion resistance of the carbon support and the good gas diffusibility to the electrode catalyst layer are obtained. In all operating conditions leading to humidification, stable power generation performance can be exhibited over a long period of time, and excellent durability can be obtained.
図1は、本発明の固体高分子型燃料電池の一実施形態を説明する断面図である。図示の固体電解質型燃料電池は、固体高分子から成る電解質膜10の一方の面に、アノード側(燃料極側)保水層11、アノード側電極触媒層12、アノード側ガス拡散層13、及び燃料ガス流路14を形成するセパレータ板15を順に積層している。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a solid polymer fuel cell of the present invention. The illustrated solid electrolyte fuel cell includes an anode side (fuel electrode side)
また、固体電解質型燃料電池は、電解質膜10の他方の面に、カソード側(空気極側)保水層21、カソード側電極触媒層22、カソード側ガス拡散層23、及び酸化ガス流路24を形成するセパレータ板25を順に積層しており、電解質膜10と、各保水層11,21と、各電極触媒層12,22と、各ガス拡散層13.23によって膜電極接合体1を構成している。
Further, the solid oxide fuel cell has a cathode side (air electrode side)
電極触媒層12,22は、導電性担体に触媒粒子を担持した電極触媒とプロトン伝導性電解質を含むものであって、導電性担体としてカーボン担体を用いている。また、保水層11,21は、カーボン担体及びプロトン伝導性電解質を含み且つ電極触媒層12,22よりも高い保水性を有するものとなっている。
The
ガス拡散層13,23は、セパレータ板15,25側となる基材層13a,23aと、電極触媒層12,22側となるカーボン粒子層13b、23bを備えている。これらのガス拡散層13,23は、主として、例えばカーボンペーパやカーボンクロス、カーボン不織布などから成る導電性多孔質体であって、電極触媒層12,22に対して燃料ガス及び酸化ガスを拡散供給する機能を有すると共に、望ましくは撥水性を有するものであり、集電体としても用いられる。
The
セパレータ板15,25は、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなどから成り、燃料ガス及び酸化ガスの流路14,24を形成すると共に、それ自体による導電性又は適当な通電経路を設けることで外部端子としても用いられる。
ここで、固体高分子型燃料電池では、燃料極側(アノード側)に供給した燃料ガスに含まれる水素が、電極触媒層12中の触媒粒子により酸化され、これによりプロトンと電子を生成する。プロトンは、電極触媒層12中のプロトン伝導性電解質及び電解質膜10を通って空気極側(カソード側)の電極触媒層22に達する。
Here, in the polymer electrolyte fuel cell, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode side (anode side) is oxidized by the catalyst particles in the
一方、電子は、電極触媒層12中のカーボン担体、ガス拡散層13、セパレータ板15及び外部回路を通り、さらに、空気極側のセパレータ板25及びガス拡散層23通してカソード側の電極触媒層22に達する。
On the other hand, the electrons pass through the carbon carrier in the
そして、カソード側電極触媒層22に達したプロトン及び電子は、空気極側に供給した酸化ガス(空気)に含まれる酸素と反応して水を生成する。このような電気化学反応により、当該燃料電池は外部に電気を取り出すことが可能となる。
The protons and electrons that have reached the cathode-side
上記の固体電解質型燃料電池において、発電性能を向上させるためには、電極触媒層12,22中の触媒粒子を分散性良くカーボン担体に担持させることが重要であり、これらの触媒粒子を有効に利用するためには、触媒粒子とプロトン伝導性電解質を効率良く接触させる必要がある。
In the above solid oxide fuel cell, in order to improve the power generation performance, it is important to support the catalyst particles in the
また、発電性能を向上させるためには、アノード側及びカソード側に供給した燃料ガス及び酸化ガスを夫々の電極触媒層12,22まで良好に到達させることが必要であり、とくに、カソード側では上述の如く水を生成するため、この生成水をカソード側電極触媒層22から排出して同電極触媒層22及びガス拡散層23における水つまりを防止し、同電極触媒層22に対するガス拡散性を確保することが重要である。
In order to improve the power generation performance, it is necessary to satisfactorily reach the respective
さらに、固体高分子型燃料電池において、耐久性を向上させるためには、電極触媒層12,22を形成している材料に耐久性の高いものを使用するだけでなく、電極触媒層12,22を形成しているカーボン担体や電極触媒の劣化は水を介在して起こることから、電極触媒層12,22から水を充分に排出することも有効であり且つ重要である。
Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell, in order to improve the durability, not only a material having high durability is used as the material forming the
そこで、当該固体高分子型燃料電池は、電解質膜10と電極触媒層12,22の間に、カーボン担体とプロトン伝導性電解質を含む保水性の高い保水層11,12を配置した構成とすることで、電極触媒層12,22中の水、すなわちガス拡散性の低下やカーボン担体及び電極触媒の劣化の原因となる水を保水層11,21へ速やかに移動させるようにし、換言すれば、電極触媒層12,22のガス拡散性や触媒溶出耐性、カーボン担体耐腐食性を損なうことなく同電極触媒層12,22から水を速やかに排出するようにし、これにより優れた発電性能及び耐久性が得られることとなる。
Therefore, the polymer electrolyte fuel cell has a configuration in which the
また、本発明の固体高分子型燃料電池は、より好ましい実施形態として、電極触媒層におけるカーボン担体とプロトン伝導性電解質の質量比に対して、保水層におけるカーボン担体とプロトン伝導性電解質の質量比の方が大きいものとすることができる。 Further, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, as a more preferred embodiment, the mass ratio of the carbon support and the proton conductive electrolyte in the water retention layer to the mass ratio of the carbon support and the proton conductive electrolyte in the electrode catalyst layer. Can be larger.
上記のように、電極触媒層及び保水層におけるカーボン担体とプロトン伝導性電解質の組成比を異ならせることにより、電極触媒層から保水層への水の移動すなわち電極触媒層からの水の排出が促進され、電極触媒層に対するガス拡散性や電極触媒層の耐久性を確保して、発電性能と耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。 As described above, by changing the composition ratio of the carbon carrier and the proton conductive electrolyte in the electrode catalyst layer and the water retention layer, the movement of water from the electrode catalyst layer to the water retention layer, that is, the discharge of water from the electrode catalyst layer is promoted. In addition, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell excellent in power generation performance and durability by ensuring gas diffusibility with respect to the electrode catalyst layer and durability of the electrode catalyst layer.
さらに、本発明の固体高分子型燃料電池は、より好ましい実施形態として、電極触媒層における細孔径(ガスや水の透過部分となる細孔の径)に対して、保水層における細孔径の方が小さいものとすることができる。 Furthermore, as a more preferred embodiment, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a pore diameter in the water retention layer as compared with the pore diameter in the electrode catalyst layer (the diameter of the pores that transmit gas or water). Can be small.
上記のように、電極触媒層及び保水層における細孔径を異ならせると、親水性部位で水は細孔径の大きい方から小さい方に移動するので、電極触媒層から保水層への水の移動すなわち電極触媒層からの水の排出が促進され、電極触媒層に対するガス拡散性や電極触媒層の耐久性を確保して、発電性能と耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。 As described above, if the pore diameters in the electrode catalyst layer and the water retention layer are made different, the water moves from the larger pore diameter to the smaller one in the hydrophilic portion. Discharge of water from the electrode catalyst layer is promoted, and gas diffusibility with respect to the electrode catalyst layer and durability of the electrode catalyst layer are ensured to provide a polymer electrolyte fuel cell excellent in power generation performance and durability it can.
さらに、本発明の固体高分子型燃料電池は、より好ましい実施形態として、電極触媒層におけるカーボン担体及びプロトン伝導性電解質と、保水層におけるカーボン担体及びプロトン伝導性電解質が、電極触媒層と保水層の界面で連続していると共に、保水層におけるプロトン伝導性電解質と電解質膜が、保水層と電解質膜の界面で連続しているものとすることができ、これにより、各層間(界面)でプロトン及び電子が円滑に移動して、良好な発電性能が得られることとなる。 Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, as a more preferred embodiment, the carbon carrier and the proton conductive electrolyte in the electrode catalyst layer, and the carbon carrier and the proton conductive electrolyte in the water retention layer are the electrode catalyst layer and the water retention layer. The proton conductive electrolyte and the electrolyte membrane in the water retention layer can be continuous at the interface between the water retention layer and the electrolyte membrane. In addition, the electrons move smoothly, and good power generation performance can be obtained.
プロトン伝導性電解質としては、とくに限定されず、公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば良い。この際使用できるプロトン伝導性電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。 The proton conductive electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. The proton-conducting electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.
フッ素系電解質としては、具体的には、ナフィオン(登録商標:デュポン社製)、アシプレックス(登録商標:旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標:旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、及びポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the fluorine-based electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark: manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark: manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark: manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc. Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and poly A suitable example is vinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer.
炭化水素系電解質としては、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、及びポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, and poly A suitable example is phenylsulfonic acid.
高分子電解質は、耐熱性や化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むものが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標:デュポン社製)、アシプレックス(登録商標:旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標:旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。 Since the polymer electrolyte is excellent in heat resistance and chemical stability, it preferably contains a fluorine atom. Among them, Nafion (registered trademark: manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark: manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark: manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.
また、電解質膜としては、とくに限定されず、プロトン伝導性を有する電解質から成る膜が挙げられる。例えば、デュポン社製の各種のナフィオン(登録商標)やフレミオン(登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、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膜や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている高分子電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等などの液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記電解質膜に用いられる電解質と、各触媒層、保水層に用いられる電解質とは、同じであっても異なっていてもよい。 Further, the electrolyte membrane is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of an electrolyte having proton conductivity. For example, perfluorosulfonic acid membranes represented by various Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark) manufactured by DuPont, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Company, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, Fluoropolymer electrolyte membranes such as resin membranes based on trifluorostyrene, hydrocarbon resin membranes having sulfonic acid groups, and other commercially available polymer electrolyte membranes such as polytetrafluoroethylene ( A membrane in which a polymer microporous membrane made of PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF) is impregnated with a liquid electrolyte such as phosphoric acid or ionic liquid, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, etc. May be used. The electrolyte used for the electrolyte membrane and the electrolyte used for each catalyst layer and water retention layer may be the same or different.
カーボン担体としては、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛及び人造黒鉛などから成るカーボン粒子が挙げられる。カーボンブラックとしては、従来の一般的なものであればとくに制限されないが、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどが好ましく挙げられる。また、カーボンブラックは、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が挙げられる。さらに、耐食性の観点からは、カーボンブラックなどのカーボン担体を、不活性雰囲気下、2000〜3000℃で熱処理することにより黒鉛化させたものを用いても良い。 Specific examples of the carbon carrier include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, and the like. The carbon black is not particularly limited as long as it is a conventional one, but preferred examples include channel black, furnace black, thermal black, ketjen black, and acetylene black. Carbon black may be a commercially available product, such as Cabot Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Regal 400, Ketjen Black manufactured by Lion. EC, oil furnace black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; acetylene black such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. and the like. Furthermore, from the viewpoint of corrosion resistance, a carbon support such as carbon black graphitized by heat treatment at 2000 to 3000 ° C. in an inert atmosphere may be used.
さらに、本発明の固体高分子型燃料電池は、より好ましい実施形態として、保水層におけるカーボン担体が、電極触媒層のカーボン担体よりも低い耐食性を有するものとすることができる。 Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, as a more preferred embodiment, the carbon support in the water retention layer may have lower corrosion resistance than the carbon support in the electrode catalyst layer.
ここで、電極触媒層を形成しているカーボン担体は、発電において重要な役割を果たしていることから、長期にわたって保護することが必要であり、電極触媒層から水を排出することでその劣化を抑制することができる。そこで、保水層のカーボン担体に、電極触媒層のカーボン担体よりも耐食性の低いものを使用することで、電極触媒層から水を排出するとともに保水層のカーボン担体を優先的に腐食させる。これにより、電極触媒層のカーボン担体を保護することができ、結果として、発電性能と耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。 Here, since the carbon carrier forming the electrode catalyst layer plays an important role in power generation, it must be protected for a long time, and its deterioration is suppressed by discharging water from the electrode catalyst layer. can do. Therefore, by using a carbon carrier having a lower corrosion resistance than the carbon carrier of the electrode catalyst layer as the carbon carrier of the water retention layer, water is discharged from the electrode catalyst layer and the carbon carrier of the water retention layer is preferentially corroded. Thereby, the carbon support | carrier of an electrode catalyst layer can be protected, As a result, the polymer electrolyte fuel cell excellent in electric power generation performance and durability can be provided.
さらに、本発明の固体高分子型燃料電池は、より好ましい実施形態として、保水層におけるカーボン担体の比表面積に対して、電極触媒層におけるカーボン担体の比表面積の方が小さいものとすることができる。 Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, as a more preferred embodiment, the specific surface area of the carbon support in the electrode catalyst layer can be smaller than the specific surface area of the carbon support in the water retention layer. .
より具体的には、電極触媒層におけるカーボン担体は、比表面積が100〜500m2/gで、平均格子面間隔が0.341〜0.355nmであり、保水層におけるカーボン担体は、比表面積が500〜1500m2/gであるものとすることができる。 More specifically, the carbon support in the electrode catalyst layer has a specific surface area of 100 to 500 m 2 / g and an average lattice spacing of 0.341 to 0.355 nm, and the carbon support in the water retention layer has a specific surface area of 500. It can be ˜1500 m 2 / g.
上記のように、保水層及び電極触媒層におけるカーボン担体の比表面積を異ならせることにより、電極触媒層におけるカーボン担体に対して、保水層におけるカーボン担体の耐食性を低下させることができ、これにより、電極触媒層から水を排出するとともに保水層のカーボン担体を優先的に腐食させ、電極触媒層のカーボン担体を保護する犠牲腐食反応を促進し、結果として、発電性能と耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。 As described above, by varying the specific surface area of the carbon support in the water retention layer and the electrode catalyst layer, the corrosion resistance of the carbon support in the water retention layer can be reduced with respect to the carbon support in the electrode catalyst layer. Discharges water from the electrode catalyst layer and preferentially corrodes the carbon support in the water retention layer, promotes a sacrificial corrosion reaction that protects the carbon support in the electrode catalyst layer, and as a result, solids with excellent power generation performance and durability. A molecular fuel cell can be provided.
なお、電極触媒層のカーボン担体において、比表面積を100〜500m2/gとしたのは、比表面積が1002/gよりも小さいと、カーボン担体への触媒成分の分散性が低下して十分な発電性能が得られない恐れがあり、比表面積が5002/gよりも大きいと、十分な耐食性が得られない恐れがあるからである。なお、導電性担体の比表面積は、窒素を用いたBET法により測定した値とする。 In the carbon support of the electrode catalyst layer, the specific surface area was set to 100 to 500 m 2 / g. If the specific surface area was less than 100 2 / g, the dispersibility of the catalyst component on the carbon support was lowered and sufficient power generation was achieved. This is because performance may not be obtained, and if the specific surface area is larger than 5002 / g, sufficient corrosion resistance may not be obtained. The specific surface area of the conductive carrier is a value measured by the BET method using nitrogen.
また、電極触媒層のカーボン担体において、平均格子面間隔を0.341〜0.355nmとしたのは、平均格子面間隔が0.341nmよりも小さいと、カーボン担体の比表面積と同様に触媒成分の分散性が低下する恐れがあり、平均格子面間隔が0.355nmよりも大きいと、十分な耐食性が得られない恐れがあるからである。 Moreover, in the carbon support of the electrode catalyst layer, the average lattice spacing was set to 0.341 to 0.355 nm because when the average lattice spacing was smaller than 0.341 nm, the catalyst component was similar to the specific surface area of the carbon support. This is because if the average lattice spacing is larger than 0.355 nm, sufficient corrosion resistance may not be obtained.
カーボン担体の格子面間隔(d002)とは、カーボン担体の黒鉛構造に基づく六角網面の面間隔であり、六角網面の垂直方向であるc軸方向の格子定数の1/2層間距離の平均値を意味する。熱処理されたカーボン担体は黒鉛構造に似た三次元的結晶格子から成る黒鉛化層が表面に形成され、黒鉛化が進むにつれて結晶格子間の微細な空隙部分が少なくなり、カーボン担体の結晶構造が黒鉛の結晶構造に近づく。なお、本発明において、格子面間隔d002はX線回折法を用いた学振法(稲垣道夫、炭素 No.36、25〜34(1963))により測定した値とする。 The lattice spacing (d 002 ) of the carbon support is the face spacing of the hexagonal mesh plane based on the graphite structure of the carbon support, and is the ½ interlayer distance of the lattice constant in the c-axis direction that is the vertical direction of the hexagonal mesh plane. Mean value. The heat-treated carbon support has a graphitized layer consisting of a three-dimensional crystal lattice resembling the graphite structure on the surface. As graphitization proceeds, the fine voids between the crystal lattices decrease, and the crystal structure of the carbon support is reduced. It approaches the crystal structure of graphite. In the present invention, the lattice spacing d 002 is a value measured by the Gakushin method using the X-ray diffraction method (Michio Inagaki, carbon No. 36, 25-34 (1963)).
さらに、保水層のカーボン担体において、比表面積を500〜1500m2/gとしたのは、比表面積が5002/gよりも小さいと、耐食性が高くなり十分な犠牲腐食効果が得られない恐れがあり、比表面積が15002/gよりも大きいと、耐食性が低くなり犠牲腐食効果期間が短くなり十分な耐久性が得られない恐れがあるからである。 Furthermore, in the carbon carrier of the water retaining layer, the specific surface area is set to 500 to 1500 m2 / g, and if the specific surface area is smaller than 5002 / g, there is a possibility that the corrosion resistance becomes high and sufficient sacrificial corrosion effect cannot be obtained. This is because if the specific surface area is larger than 15002 / g, the corrosion resistance is lowered, the sacrificial corrosion effect period is shortened, and sufficient durability may not be obtained.
さらに、本発明の固体高分子型燃料電池は、より好ましい実施形態として、電極触媒層における電極触媒の触媒粒子が、水素の酸化反応及び酸素の還元反応のいずれか一方に触媒作用を示すものであって、具体的には、白金、金、銀、銅、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、アルミニウム、およびこれらを含む合金より成る群から選択される少なくとも一種が好ましく挙げられる。 Furthermore, in a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, as a more preferable embodiment, the catalyst particles of the electrode catalyst in the electrode catalyst layer exhibit a catalytic action in either one of hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction. Specifically, platinum, gold, silver, copper, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and these Preferred is at least one selected from the group consisting of alloys containing.
上記のように、電極触媒層の電極触媒において、水素酸化及び酸素還元のいずれか一方に触媒作用を示す触媒粒子をカーボン担体に担持することにより、高い発電効率をもたらす固体高分子型燃料電池を提供することができる。 As described above, in the electrode catalyst of the electrode catalyst layer, a solid polymer fuel cell that provides high power generation efficiency by supporting catalyst particles having catalytic action on either one of hydrogen oxidation and oxygen reduction on a carbon carrier. Can be provided.
以下、本発明の固体高分子型燃料電池の実施例をより具体的に説明する。なお、本発明の固体高分子型燃料電池は、下記実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described more specifically. The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
1.ガス拡散層の作製
カーボンペーパ(東レ株式会社製 カーボンペーパTGP−H−060、厚さ約190μm)を7cm角に打ち抜いた拡散層基材を準備した。続いて、この拡散層基材に以下の撥水処理を行なった。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液(ダイキン工業株式会社製 D−1E、PTFE60質量%含有)を純水で所定の濃度に調整した溶液中に、拡散層基材を5分浸漬した後、同拡散層基材を引き上げて液切りを行なった。その後、拡散層基材をオーブン内にて60℃で1時間乾燥させた。
Example 1
1. Preparation of Gas Diffusion Layer A diffusion layer substrate was prepared by punching carbon paper (Carbon Paper TGP-H-060, thickness: about 190 μm, manufactured by Toray Industries, Inc.) into a 7 cm square. Subsequently, the following water repellent treatment was performed on the diffusion layer base material. After immersing the diffusion layer base material for 5 minutes in a solution in which a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (D-1E made by Daikin Industries, Ltd., containing 60% by mass of PTFE) is adjusted to a predetermined concentration with pure water, the same The diffusion layer substrate was pulled up and drained. Thereafter, the diffusion layer substrate was dried in an oven at 60 ° C. for 1 hour.
次に、上記の撥水処理をした拡散層基材の表面にカーボン粒子層を形成するために、カーボンブラック(CABOT社製 VULCAN XC−72R)と、撥水処理と同様のPTFE分散液及び純水をホモジナイザーにて3時間混合分散し、スラリー化した。 Next, in order to form a carbon particle layer on the surface of the diffusion layer substrate subjected to the above water repellent treatment, carbon black (VULCAN XC-72R manufactured by CABOT), a PTFE dispersion similar to the water repellent treatment, and a pure Water was mixed and dispersed in a homogenizer for 3 hours to form a slurry.
そして、撥水処理後の拡散層基材の一方の面に、ドクターブレード法を用いて上記スラリーを均一に塗布した。その後、同様にオーブン内にて60℃で30分間乾燥させ、さらに撥水剤を溶着固定させるために、350℃で30分間焼成した。これにより、拡散層基材上にカーボン粒子層(厚さ約50μm)を形成したガス拡散層を得た。 And the said slurry was uniformly apply | coated to one side of the diffusion layer base material after a water repellent process using the doctor blade method. Thereafter, it was similarly dried in an oven at 60 ° C. for 30 minutes, and further fired at 350 ° C. for 30 minutes in order to weld and fix the water repellent. Thereby, a gas diffusion layer in which a carbon particle layer (thickness: about 50 μm) was formed on the diffusion layer base material was obtained.
2.電極触媒層の作製
カーボンブラック(三菱化学株式会社製 ケッチェンブラックEC、比表面積800m2/g)をカーボン担体(導電性担体)として用い、このカーボン担体に水素の酸化及び酸素の還元に触媒作用を示す粒子として、平均粒子径2〜3nmの白金粒子を40wt%担持した電極触媒を準備した。
2. Electrocatalyst layer preparation Carbon black (Mitsubishi Chemical Co., Ltd. Ketjen Black EC, specific surface area 800 m2 / g) is used as a carbon support (conductive support), and this carbon support has a catalytic action for oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. As particles to be shown, an electrode catalyst carrying 40 wt% of platinum particles having an average particle diameter of 2 to 3 nm was prepared.
電極触媒のカーボン担体とプロトン伝導性電解質の質量比(プロトン伝導性電解質の質量/カーボン担体の質量)を0.90として、電極触媒、純水及びプロトン伝導性電解質溶液(DuPont社製 Nafion溶液DE520、電解質含量5wt%)を混合、攪拌及び脱泡することにより電極触媒スラリーを作製した。 Electrocatalyst, pure water, and proton conductive electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont) with a mass ratio of carbon support and proton conductive electrolyte of the electrode catalyst (mass of proton conductive electrolyte / mass of carbon support) of 0.90 Electrocatalyst slurry was prepared by mixing, stirring, and degassing the electrolyte content of 5 wt%.
そして、テフロン(登録商標:デュポン社製)シート上に、スクリーン印刷法により上記の電極触媒スラリーを塗布し、電極触媒層を作製した。この際、単位面積あたりのPt質量が0.4mg/cm2、電極触媒層の面積が5cm×5cm、電極触媒層の厚さが10μmとなるように電極触媒スラリーの塗布条件を調整した。 And said electrode catalyst slurry was apply | coated by the screen-printing method on the Teflon (trademark: DuPont company make) sheet | seat, and the electrode catalyst layer was produced. At this time, the application conditions of the electrode catalyst slurry were adjusted so that the Pt mass per unit area was 0.4 mg / cm 2, the area of the electrode catalyst layer was 5 cm × 5 cm, and the thickness of the electrode catalyst layer was 10 μm.
3.保水層の作製
カーボン担体とプロトン伝導性電解質の質量比(プロトン伝導性電解質の質量/カーボンの質量)を1.10として、電極触媒層に用いたものと同じカーボンブラック(三菱化学株式会社製 ケッチェンブラックEC 比表面積 800m2/g)、純水及びプロトン伝導性電解質溶液(DuPont社製 Nafion溶液DE520、電解質含量5wt%)を混合、攪拌、及び脱泡することにより、保水層スラリーを作製した。そして、先に作製した電極触媒層の表面に、スクリーン印刷法により上記の保水層スラリーを塗布し、保水層を作製した。
3. Preparation of water retention layer The carbon ratio of the carbon support and the proton conductive electrolyte (proton conductive electrolyte mass / carbon mass) was 1.10, and the same carbon black (Kitsubishi Chemical Co., Ltd. A water retention layer slurry was prepared by mixing, stirring, and defoaming a chain black EC specific surface area of 800 m <2> / g), pure water and a proton conductive electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5 wt%). And said water retention layer slurry was apply | coated to the surface of the electrode catalyst layer produced previously by the screen-printing method, and the water retention layer was produced.
4.膜電極接合体の組立て
電解質膜(Dupont社製 Nafion112 厚さ50μm、面積10cm×10cm)の両面に、保水層及び電極触媒層を塗布したテフロンシートを配置し、この際、電解質膜と保水層が接触するように配置し、その後、150℃で10分間、2.0MPaの圧力でホットプレスし、テフロンシートを剥がすことにより保水層及び電極触媒層付き電解質膜を作製した。
4). Assembly of membrane electrode assembly A Teflon sheet coated with a water retention layer and an electrode catalyst layer is disposed on both sides of an electrolyte membrane (Dafon Nafion 112, thickness 50 μm,
次に、保水層及び電極触媒層付き電解質膜の両面に、先に準備したガス拡散層をそのカーボン粒子層が電極触媒層側となるように配置して膜電極接合体とした。そして、上記の膜電極接合体の両面にシール材及びセパレータ板を配置し、所定の面圧になるように積層方向に締め付けて、固体高分子型燃料電池(図1参照)を得た。 Next, the gas diffusion layer prepared previously was arranged on both surfaces of the water retention layer and the electrolyte membrane with an electrode catalyst layer so that the carbon particle layer was on the electrode catalyst layer side to obtain a membrane electrode assembly. And a sealing material and a separator board were arrange | positioned on both surfaces of said membrane electrode assembly, and it clamped in the lamination direction so that it might become a predetermined surface pressure, and obtained the polymer electrolyte fuel cell (refer FIG. 1).
なお、この実施例では、アノード側及びカソード側の両方に保水層を設けたが、アノード側及びカソード側のいずれか一方に保水層を設けても良い。また、ガス拡散層のカーボン粒子層は、アノード側及びカソード側のいずれか一方に設けても良いし、設けなくても良い。 In this embodiment, the water retention layer is provided on both the anode side and the cathode side, but a water retention layer may be provided on either the anode side or the cathode side. Further, the carbon particle layer of the gas diffusion layer may be provided on either the anode side or the cathode side, or may not be provided.
(実施例2)
ガス拡散層のカーボン粒子層の表面に、スクリーン印刷法により電極触媒層を形成した後、電極触媒層を乾燥させて電極触媒層付きガス拡散層を作製した。
(Example 2)
An electrode catalyst layer was formed on the surface of the carbon particle layer of the gas diffusion layer by screen printing, and then the electrode catalyst layer was dried to produce a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer.
保水層は、保水層スラリーに、カーボン担体とプロトン伝導性電解質の質量比を0.90としたものを使用し、テフロンシート上に、スクリーン印刷法により保水層スラリー塗布して保水層を形成した。 The water retention layer used was a water retention layer slurry having a mass ratio of the carbon support and the proton conductive electrolyte of 0.90, and the water retention layer slurry was applied on the Teflon sheet by screen printing to form a water retention layer. .
そして、電解質膜の両面に、保水層を塗布したテフロンシートを同保水層が接触するように配置し、150℃で10分間、3.0MPaの圧力でホットプレスした後、テフロンシートを剥がすことで保水層付き電解質膜を作製した。この際、実施例1よりも高い圧力でホットプレスを行なうことにより、実施例1の保水層よりも小さい細孔径を有する保水層を作製した。 Then, a Teflon sheet coated with a water retention layer is placed on both surfaces of the electrolyte membrane so that the water retention layer is in contact, hot pressed at 150 ° C. for 10 minutes at a pressure of 3.0 MPa, and then the Teflon sheet is peeled off. An electrolyte membrane with a water retention layer was produced. At this time, by performing hot pressing at a pressure higher than that of Example 1, a water retention layer having a pore diameter smaller than that of the water retention layer of Example 1 was produced.
その後、保水層付き電解質膜の両面に、電極触媒層付きガス拡散層を配置し、この際、保水層と電極触媒層が接触するように配置し、150℃で10分間、2.0MPaの圧力でホットプレスすることにより膜電極接合体を作製した。そして、実施例1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製した。 Thereafter, a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer is disposed on both surfaces of the electrolyte membrane with a water retention layer. At this time, the water retention layer and the electrode catalyst layer are disposed in contact with each other, and the pressure is 2.0 MPa at 150 ° C. for 10 minutes. A membrane / electrode assembly was produced by hot pressing. Then, a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1.
(実施例3)
電極触媒層のカーボンブラックとして、CABOT社製 VULCAN XC−72Rを用い、カーボン担体に白金を40wt%担持した電極触媒を用いた以外は、実施例1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製した。
(Example 3)
A polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that VULCAN XC-72R manufactured by CABOT was used as the carbon black for the electrode catalyst layer, and an electrode catalyst carrying 40 wt% platinum on a carbon support was used. did.
(実施例4)
電極触媒層のカーボンブラックとして、電気化学工業株式会社製 アセチレンブラック、比表面積;260m2/g、格子面間隔;0.345nmを用い、このカーボン担体に平均粒子径2〜3nmの白金粒子を50wt%担持した電極触媒を用い、カーボン担体とプロトン伝導性電解質の質量比を0.65として電極触媒スラリーを作製した以外は、実施例1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製した。
Example 4
As carbon black of the electrode catalyst layer, acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., specific surface area: 260 m 2 / g, lattice spacing: 0.345 nm was used, and platinum particles having an average particle diameter of 2 to 3 nm were added to this carbon support at 50 wt%. A polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the supported electrode catalyst was used and an electrode catalyst slurry was prepared at a mass ratio of the carbon support to the proton conductive electrolyte of 0.65.
(実施例5)
電極触媒層のカーボンブラックとして、実施例1のカーボンブラックを熱処理して得られたグラファイト化カーボンブラック(グラファイト化ケッチェンブラック 比表面積;110m2/g、格子面間隔;0.344nm)を用い、カーボン担体とプロトン伝導性電解質の質量比を0.65として電極触媒スラリーを調製した。
(Example 5)
As the carbon black of the electrode catalyst layer, graphitized carbon black obtained by heat-treating the carbon black of Example 1 (graphitized Ketjen black specific surface area: 110 m 2 / g, lattice spacing: 0.344 nm) was used. An electrode catalyst slurry was prepared by setting the mass ratio of the carrier to the proton conductive electrolyte to 0.65.
また、保水層のカーボンブラックとして、CABOT社製 BLACK PEARLS2000(比表面積;1475m2/g)を使用し、カーボンとプロトン伝導性電解質の質量比を1.20として保水層スラリーを調製した。それ以外は、実施例1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製した。 In addition, as a carbon black for the water retention layer, BLACK PEARLS 2000 (specific surface area: 1475 m 2 / g) manufactured by CABOT was used, and a water retention layer slurry was prepared with a mass ratio of carbon to proton conductive electrolyte of 1.20. Otherwise, a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1.
(比較例1)
電解質膜表面に、スプレー塗布装置によりSiO2微粒子分散液を塗布し、このSiO2微粒子層を保水層の替わりに作製した以外は、実施例2と同様にして固体高分子型燃料電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 2, except that the surface of the electrolyte membrane was coated with the SiO2 fine particle dispersion using a spray coating apparatus, and this SiO2 fine particle layer was produced instead of the water retention layer.
(性能評価)
実施例1〜5及び比較例1の固体高分子型燃料電池について、以下の方法による性能評価試験を実施した。
(Performance evaluation)
About the polymer electrolyte fuel cell of Examples 1-5 and Comparative Example 1, the performance evaluation test by the following method was implemented.
固体高分子型燃料電池を80℃に温調し、アノード側に燃料ガスとして水素(露点80℃)を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気(露点60℃)を供給した。また、燃料電池の排気側圧力は大気圧とした。 The temperature of the polymer electrolyte fuel cell was adjusted to 80 ° C., hydrogen (dew point 80 ° C.) was supplied as a fuel gas to the anode side, and air (dew point 60 ° C.) was supplied as an oxidizing gas to the cathode side. The pressure on the exhaust side of the fuel cell was atmospheric pressure.
そして、1A/cm2の電流密度(水素利用率70%、空気利用率40%)で1分間発電した後、発電を停止した。次に、水素及び空気の供給を停止し、電池内部の雰囲気を窒素ガスに置換して1分間待機した。そして、再度、アノード側に燃料ガスを供給すると共に、カソード側に酸化ガスを供給して、1A/cm2の電流密度で1分間発電した。 Then, after generating power for 1 minute at a current density of 1 A / cm 2 (hydrogen utilization rate 70%, air utilization rate 40%), power generation was stopped. Next, the supply of hydrogen and air was stopped, the atmosphere inside the battery was replaced with nitrogen gas, and the system was on standby for 1 minute. Then, again, the fuel gas was supplied to the anode side, and the oxidizing gas was supplied to the cathode side, and electric power was generated at a current density of 1 A / cm 2 for 1 minute.
上記の発電・停止の動作を繰り返し行い、初期の電圧から20%の性能低下に至るまでのサイクル数を求めてこれを耐久性の評価とした。実施例1〜5及び比較例1の固体高分子型燃料電池の作製条件と耐久性評価の結果を表1に示す。 The above power generation / stop operation was repeated, and the number of cycles from the initial voltage to the 20% decrease in performance was determined and used as the durability evaluation. Table 1 shows the production conditions and results of durability evaluation of the polymer electrolyte fuel cells of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
表1から明らかなように、各実施例1〜5の固体高分子型燃料電池は、比較例1に比べて性能が高いものとなり、とくに、実施例3〜5の固体高分子型燃料電池については、比較例1に比べて性能が飛躍的に向上したものとなった。 As is apparent from Table 1, the polymer electrolyte fuel cells of Examples 1 to 5 have higher performance than Comparative Example 1, and in particular, the polymer electrolyte fuel cells of Examples 3 to 5 As compared with Comparative Example 1, the performance was greatly improved.
10 電解質膜
11 アノード側保水層
12 アノード側電極触媒層
13 アノード側ガス拡散層
21 カソード側保水層
22 カソード側電極触媒層
23 カソード側ガス拡散層
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