JP7533194B2 - Membrane electrode assembly for fuel cells and polymer electrolyte fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。燃料電池は、燃料電池に用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、プロトン伝導性高分子膜を用いた燃料電池は、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。 A fuel cell is a power generation system that uses a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen to generate electricity as well as heat by inducing a reverse reaction in the electrolysis of water at electrodes containing a catalyst. Compared to conventional power generation methods, this power generation system has features such as high efficiency, low environmental impact, and low noise, and is attracting attention as a clean energy source of the future. There are several types of fuel cells depending on the type of ion conductor used, and fuel cells that use a proton-conducting polymer membrane are called solid polymer fuel cells.
燃料電池のなかでも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:以下、MEAと称すことがある)を、一対のセパレータで挟持した電池である。 Among fuel cells, solid polymer fuel cells can be used at around room temperature, and are therefore seen as promising for use as vehicle power sources and stationary home power sources, and in recent years, various research and development efforts have been conducted on them. Solid polymer fuel cells are cells in which a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes referred to as MEA), in which a pair of electrode catalyst layers are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane, is sandwiched between a pair of separators.
一方のセパレータには、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するためのガス流路が形成されており、他方のセパレータには、電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成されている。
ここで、燃料ガスが供給される上述した一方の電極を燃料極、酸化剤ガスが供給される上述した他方の電極を空気極とする。これらの電極は、高分子電解質、白金系の貴金属などの触媒を担持したカーボン粒子(触媒担持粒子)を有する電極触媒層、及びガス通気性と電子伝導性とを兼ね備えたガス拡散層を備えている。これらの電極を構成するガス拡散層は、セパレータと対向するように、すなわち電極触媒層とセパレータとの間に配置される。
One of the separators has a gas flow path formed therein for supplying a fuel gas containing hydrogen to one of the electrodes, and the other separator has a gas flow path formed therein for supplying an oxidizer gas containing oxygen to the other of the electrodes.
Here, the one electrode to which the fuel gas is supplied is referred to as the fuel electrode, and the other electrode to which the oxidant gas is supplied is referred to as the air electrode. These electrodes are provided with an electrode catalyst layer having a polymer electrolyte, carbon particles (catalyst-supported particles) supporting a catalyst such as a platinum-based precious metal, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity. The gas diffusion layer constituting these electrodes is disposed so as to face the separator, i.e., between the electrode catalyst layer and the separator.
電極触媒層に対しては、燃料電池の出力密度を向上させるため、ガス拡散性を高める取り組みがなされてきた。その一つが電極触媒層中の細孔に関するものである。電極触媒層中の細孔は、セパレータからガス拡散層を通じた先に位置し、複数の物質を輸送する通路の役割を果たす。細孔は、燃料極では、酸化還元の反応場である三相界面に燃料ガスを円滑に供給するだけでなく、生成したプロトンを高分子電解質膜内で円滑に伝導させるための水を供給する機能を果たす。細孔は、空気極では、酸化剤ガスの供給と共に、電極反応で生成した水を円滑に除去する機能を果たす。 In order to improve the output density of fuel cells, efforts have been made to improve the gas diffusion properties of the electrode catalyst layer. One of these efforts concerns the pores in the electrode catalyst layer. The pores in the electrode catalyst layer are located beyond the separator through the gas diffusion layer, and act as passages to transport multiple substances. At the fuel electrode, the pores not only smoothly supply fuel gas to the three-phase interface, which is the site of the oxidation-reduction reaction, but also supply water to smoothly conduct the generated protons within the polymer electrolyte membrane. At the air electrode, the pores not only supply oxidant gas, but also smoothly remove water generated in the electrode reaction.
固体高分子形燃料電池では、燃料極及び空気極における物質輸送の妨げにより発電反応が停止する、いわゆる「フラッディング」と呼ばれる現象を防止する必要がある。このため、これまで排水性を高める構成が検討されてきた(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3及び特許文献4を参照)。
In solid polymer electrolyte fuel cells, it is necessary to prevent a phenomenon known as "flooding," in which the power generation reaction stops due to impeded material transport at the fuel electrode and air electrode. For this reason, configurations that improve drainage have been studied (see, for example,
また、固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化(コスト削減)である。
この低コスト化の手段の一つに、加湿器の削減が挙げられる。膜電極接合体の中心に位置する高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸膜や炭化水素系膜が広く用いられている。そして、優れたプロトン伝導性を得るためには飽和水蒸気圧雰囲気に近い水分管理が必要とされており、現在、加湿器によって外部から水分供給を行っている。そこで、低消費電力やシステムの簡略化のために、加湿器を必要としないような、低加湿条件下であっても、十分なプロトン伝導性を示す高分子電解質膜の開発が進められている。
Furthermore, while issues to be overcome in order to commercialize solid polymer fuel cells include improving output density and durability, the greatest issue is reducing costs (cost reduction).
One of the ways to reduce costs is to reduce the number of humidifiers. Perfluorosulfonic acid membranes and hydrocarbon membranes are widely used for the polymer electrolyte membrane, which is located at the center of the membrane electrode assembly. In order to obtain excellent proton conductivity, moisture management close to a saturated water vapor pressure atmosphere is required, and currently moisture is supplied from the outside using a humidifier. Therefore, in order to reduce power consumption and simplify the system, development is underway for a polymer electrolyte membrane that shows sufficient proton conductivity even under low humidity conditions so that a humidifier is not required.
しかしながら、排水性を高めた電極触媒層では、低加湿条件下において高分子電解質がドライアップするため、電極触媒層構造の最適化を行い、保水性を向上させる必要がある。これまで、低加湿条件下における燃料電池の保水性を向上させるため、例えば、電極触媒層とガス拡散層の間に、湿度調整フィルムを挟み込む方法が考案されている。
例えば、特許文献5には、導電性炭素質粉末とポリテトラフルオロエチレンから構成された湿度調整フィルムが、湿度調節機能を示してドライアップを防止する方法が記載されている。
However, in an electrode catalyst layer with improved drainage, the polymer electrolyte dries up under low humidity conditions, so it is necessary to optimize the electrode catalyst layer structure and improve water retention. To date, methods have been devised to improve the water retention of fuel cells under low humidity conditions, for example, by sandwiching a humidity adjustment film between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer.
For example,
また、特許文献6には、高分子電解質膜と接する触媒電極層の表面に溝を設ける方法が記載されている。特許文献6に記載の方法では、触媒電極層の表面に0.1~0.3mmの幅を有する溝を形成することで、低加湿条件下における発電性能の低下を抑制している。
しかしながら、これらの特許文献に記載された電極触媒層の発電性能では不十分であり、発電性能のさらなる向上が望まれていた。
本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられた場合に、電極反応で生成した水の除去を阻害せずに低加湿条件下での保水性が改善され、低加湿条件下でも高い発電性能を示す電極触媒層を有した燃料電池用膜電極接合体を提供することを目的とする。
However, the power generation performance of the electrode catalyst layers described in these patent documents is insufficient, and further improvement in power generation performance has been desired.
The present invention aims to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell having an electrode catalyst layer which, when used in a polymer electrolyte fuel cell, has improved water retention under low humidification conditions without inhibiting the removal of water generated in an electrode reaction, and exhibits high power generation performance even under low humidification conditions.
本発明の一態様によれば、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持し、電極触媒層との間にガス流路を形成する一対のセパレータで一対の電極触媒層を外側から挟持した燃料電池用の膜電極接合体であって、一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層は、高分子電解質膜と対向する第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とを有し、第一の電極触媒部はガス流路の入口側用の電極触媒部であり、第二の電極触媒部はガス流路の出口側用の電極触媒部であって、第一の電極触媒部及び第二の電極触媒部のそれぞれは、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子と、繊維状物質と、高分子電解質と、を含み、繊維状物質は疎水性繊維状物質と親水性繊維状物質とで構成され、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比は、第二の電極触媒部の質量比が、第一の電極触媒部の質量比よりも大きい、燃料電池用膜電極接合体が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a membrane electrode assembly for a fuel cell in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers, and the pair of electrode catalyst layers are sandwiched from the outside by a pair of separators that form a gas flow path between the electrode catalyst layers, at least one of the pair of electrode catalyst layers has a first electrode catalyst part and a second electrode catalyst part that face the polymer electrolyte membrane, the first electrode catalyst part is an electrode catalyst part for the inlet side of the gas flow path, and the second electrode catalyst part is an electrode catalyst part for the outlet side of the gas flow path, each of the first electrode catalyst part and the second electrode catalyst part includes a catalyst-supported particle made of carbon particles on which a catalyst is supported, a fibrous material, and a polymer electrolyte, the fibrous material is composed of a hydrophobic fibrous material and a hydrophilic fibrous material, and the mass ratio of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material is such that the mass ratio of the second electrode catalyst part is greater than the mass ratio of the first electrode catalyst part.
また、本発明の他の態様によれば、上記態様の燃料電池用膜電極接合体と、燃料電池用膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、対向して設けられ燃料電池用膜電極接合体及び一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備える、固体高分子形燃料電池が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly of the above aspect, a pair of gas diffusion layers sandwiching the fuel cell membrane electrode assembly, and a pair of separators disposed opposite each other and sandwiching the fuel cell membrane electrode assembly and the pair of gas diffusion layers.
本発明によれば、固体高分子形燃料電池に用いられた場合に、高い発電特性を示す電極触媒層を備えることができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrode catalyst layer that exhibits high power generation characteristics when used in a polymer electrolyte fuel cell.
<実施形態>
以下に、本開示の実施形態について添付図面を参照して説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本開示の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本開示の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定されるものではない。本開示の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
<Embodiment>
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings.
Here, the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each layer, etc. are different from the actual ones. In addition, the embodiments shown below are examples of configurations for embodying the technical idea of the present disclosure, and the technical idea of the present disclosure is not limited to the materials, shapes, structures, etc. of the components described below. The technical idea of the present disclosure can be modified in various ways within the technical scope defined by the claims described in the claims.
〔膜電極接合体〕
まず、本実施形態に係る膜電極接合体11について説明する。
図1に示すように、膜電極接合体11は、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を高分子電解質膜1の上下各面から狭持する電極触媒層2(図1中、上側に示す)及び電極触媒層3(図1中、下側に示す)とを備える。さらに、膜電極接合体11の2つの電極触媒層2、3は、高分子電解質膜1の平面方向に2つの領域に分けられている。より詳細には、図1中上側に示す電極触媒層2は、電極触媒層2に流入するガスの入口側に配置される第一の電極触媒部2aと、ガスの出口側に配置される第二の電極触媒部2bとを有する。同様に、図中下側に示す電極触媒層3は、電極触媒層3に流入するガスの入口側に位置する第一の電極触媒部3aと、ガスの出口側に位置する第二の電極触媒部3bとを有する。
[Membrane Electrode Assembly]
First, the
As shown in FIG. 1, the
2つの電極触媒層2、3の少なくとも一方は、下記の構成(a)及び(b)を有する。2つの電極触媒層2、3が共に下記構成(a)及び(b)を満たすことが好ましい。
(a)触媒担持粒子と、繊維状物質と、高分子電解質と、を含む。繊維状物質は疎水性繊維状物質と親水性繊維状物質で構成される。
(b)第二の電極触媒部2b(又は3b)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比は、第一の電極触媒部2a(又は3a)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比よりも大きい。
疎水性繊維状物質及び親水性繊維状物質を含む繊維状物質全体の平均繊維長が0.7μm以上30μm以下の範囲内に含まれることが好ましく、10μm以上20μm以下の範囲内に含まれることがより好ましい。
At least one of the two
(a) The catalyst support includes a catalyst-supporting particle, a fibrous material, and a polymer electrolyte, the fibrous material being composed of a hydrophobic fibrous material and a hydrophilic fibrous material.
(b) The mass ratio of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material in the second
The average fiber length of the entire fibrous material including the hydrophobic fibrous material and the hydrophilic fibrous material is preferably within the range of 0.7 μm or more and 30 μm or less, and more preferably within the range of 10 μm or more and 20 μm or less.
疎水性繊維状物質の質量と、親水性繊維状物質の質量とを合わせた繊維質量は、触媒担持粒子における担体の質量の0.05倍以上0.4倍以下であることが好ましく、0.2倍以上0.3倍以下であることがより好ましい。繊維質量が、触媒担持粒子における担体の質量の0.05倍未満の場合は、電極触媒層に形成される細孔が少ない影響で、高電流域では電極反応で生成した水を充分に排水することができず、反応ガスの拡散性を高めることができない場合があると推定される。また、0.4倍を超える場合は、電極触媒層に形成される細孔が多い影響で、低加湿条件下では保水性を高めることが困難な場合があると推定される。 The fiber mass, which is the sum of the mass of the hydrophobic fibrous material and the mass of the hydrophilic fibrous material, is preferably 0.05 to 0.4 times the mass of the carrier in the catalyst-supported particle, and more preferably 0.2 to 0.3 times. If the fiber mass is less than 0.05 times the mass of the carrier in the catalyst-supported particle, it is estimated that the water generated by the electrode reaction cannot be sufficiently drained in the high current range due to the small number of pores formed in the electrode catalyst layer, and the diffusibility of the reaction gas may not be improved. Also, if it exceeds 0.4 times, it is estimated that the number of pores formed in the electrode catalyst layer may be large, making it difficult to increase the water retention under low humidification conditions.
高分子電解質の質量は、触媒担持粒子における担体の質量の0.3倍以上1.0倍以下であることが好ましく、0.5倍以上0.8倍以下であることがより好ましい。高分子電解質の質量が、触媒担持粒子における担体の質量の0.3倍未満の場合は、電極触媒層に形成される細孔が少ない影響で、高電流域では電極反応で生成した水を充分に排水することができず、反応ガスの拡散性を高めることができない場合があると推定される。また、1.0倍を超える場合は、電極触媒層に形成される細孔が多い影響で、低加湿条件下では保水性を高めることが困難な場合がある推定される。 The mass of the polymer electrolyte is preferably 0.3 to 1.0 times the mass of the carrier in the catalyst-supported particle, and more preferably 0.5 to 0.8 times. If the mass of the polymer electrolyte is less than 0.3 times the mass of the carrier in the catalyst-supported particle, it is estimated that the water generated in the electrode reaction cannot be sufficiently drained in the high current range due to the small number of pores formed in the electrode catalyst layer, and the diffusibility of the reaction gas may not be improved. Also, if it exceeds 1.0 times, it is estimated that the number of pores formed in the electrode catalyst layer may be large, making it difficult to increase water retention under low humidification conditions.
本願発明者は、以上の構成からなる第一の電極触媒部2a(又は3a)が低加湿条件下で保水性を有し、第二の電極触媒部2b(又は3b)が電極反応で生成した水の除去を阻害しないことを確認した。なお、詳細なメカニズムは、以下のように推測されるが、本発明は下記メカニズムに何ら拘束されるものではない。
The inventors of the present application have confirmed that the first
上述の構成(a)及び(b)を有する電極触媒層2、3は、繊維状物質の絡み合いによって、耐久性低下の起因となる電極触媒層のクラック発生を抑制するなど、高い耐久性と機械特性が得られる。繊維状物質の平均繊維長が0.7μmに満たない場合は、繊維状物質の絡み合いが弱いため、機械特性が低下する場合がある。また、繊維状物質の平均繊維長が30μmを超える場合は、繊維状物質の絡み合いが強いため、インクとして分散できない場合がある。
The
また、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)では、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比を大きくすることで、電極触媒層内に形成される細孔の疎水性が高まり、水の除去を促進する。一方、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)では、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比を小さくすることで、電極触媒層内に形成される細孔の親水性が高まり、低加湿条件下における保水性を両立している。
In addition, in the second
上記構成(a)及び(b)を有する電極触媒層2、3は、更に下記の構成(c)を有することが好ましい。
(c)第一の電極触媒部2a(又は3a)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比(疎水性繊維状物質の質量/繊維状物質の質量)は0.1以上0.45以下の範囲内であり、第二の電極触媒部2b(又は3b)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比(疎水性繊維状物質の質量/繊維状物質の質量)は0.55以上0.9以下の範囲内である。
The
(c) In the first
繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比について、第一の電極触媒部2a(又は3a)における質量比は、0.1以上0.45以下であることが好ましく、0.2以上0.35以下であることがより好ましい。
また、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比について、第二の電極触媒部2b(又は3b)における質量比(疎水性繊維状物質の質量/繊維状物質の質量)は、0.55以上0.9以下であることが好ましく、0.65以上0.8以下であることがより好ましい。
The mass ratio of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material in the first
Furthermore, with regard to the mass ratio of hydrophobic fibrous material to fibrous material, the mass ratio (mass of hydrophobic fibrous material/mass of fibrous material) in the second
第一の電極触媒部2a(又は3a)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が0.1に満たない場合は、電極触媒層内に形成される細孔の親水性が過剰に高まり、水の除去が困難となる場合がある。
第二の電極触媒部2b(又は3b)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が0.9を超える場合は、低加湿条件下で水の保持が困難となり、プロトン伝導性が低下する場合がある。
また、第一の電極触媒部2a(又は3a)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が0.45を超える場合と、第二の電極触媒部2b(又は3b)における、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が0.55に満たない場合は、電極触媒層内に形成される細孔における疎水性と親水性の差が少なくなり、高い発電性能を示すことが困難になる場合がある。
If the mass ratio of hydrophobic fibrous material to fibrous material in the first
If the mass ratio of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material in the second
Furthermore, if the mass ratio of hydrophobic fibrous material to fibrous material in the first
〔固体高分子形燃料電池〕
次に、図2を用いて、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体11を備えた固体高分子形燃料電池について説明する。
図2に示す固体高分子形燃料電池12は、膜電極接合体11と、一対のガス拡散層4、5と、一組のセパレータ10a、10bと、を備える。ガス拡散層4は、膜電極接合体11の電極触媒層2と対向するように配置される。ガス拡散層5は、電極触媒層3と対向するように配置される。電極触媒層2とガス拡散層4とによって、空気極(カソード、正極)6が形成される。電極触媒層3とガス拡散層5とによって、燃料極(アノード、負極)7が形成される。
[Polymer electrolyte fuel cell]
Next, a polymer electrolyte fuel cell including a
2 includes a
また、一組のセパレータ10a、10bは、ガス拡散層4及び5の外側、つまり、ガス拡散層4及び5の、膜電極接合体11と対向する側とは逆側にそれぞれ配置される。すなわち、膜電極接合体11は、膜電極接合体11の厚さ方向において、一つのセパレータ10a、10bに挟まれている。セパレータ10a、10bは、それぞれ、ガス拡散層4及び5と対向する面に形成されたガス流通用のガス流路8a、8bと、ガス拡散層4及び5と対向する面とは逆側の面に形成された冷却水流通用の冷却水流路9a、9bとを備えている。セパレータ10a、10bは、導電性及び不透過性を有する材料によって形成される。
The pair of
燃料極7と向かい合うセパレータ10bのガス流路8bには、燃料ガスとして例えば水素ガスが供給される。一方、空気極6と向かい合うセパレータ10aのガス流路8aには、酸化剤ガスとして例えば酸素ガスが供給される。燃料ガスの水素と、酸化剤ガスの酸素とをそれぞれ触媒の存在下において電極反応させることにより、燃料極7と空気極6との間に起電力を生じさせることができる。
固体高分子形燃料電池12において、一対のセパレータ10a、10bが、高分子電解質膜1、一対の電極触媒層2、3、および、一対のガス拡散層4、5を挟持する。図2に示す固体高分子形燃料電池12は、単セル構造を有した燃料電池の一例であるが、固体高分子形燃料電池は、セパレータ10a又はセパレータ10bを介して複数のセルが積層された構造を有してもよい。
A fuel gas, for example, hydrogen gas, is supplied to the
In the solid
〔膜電極接合体の製造方法〕
次に、上記構成(a)、(b)、(c)を有する膜電極接合体11の製造方法の一例を説明する。
上記構成(a)、(b)、(c)を有する膜電極接合体11は、下記の触媒インク作製工程と触媒部形成工程と積層工程とを含む方法で製造される。
触媒インク作製工程は、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子と、疎水性繊維状物質及び親水性繊維状物質を含む繊維状物質と、高分子電解質と、溶媒と、を含む触媒インクを製造する工程である。触媒インク作製工程では、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比の異なる二種類の触媒インクを作製する。繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が小さい触媒インクを第一の触媒インク、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が大きい触媒インクを第二の触媒インクとした。
[Method for producing membrane electrode assembly]
Next, an example of a method for producing the
The
The catalyst ink preparation process is a process for producing a catalyst ink that includes catalyst-supported particles made of carbon particles carrying a catalyst, a fibrous material including a hydrophobic fibrous material and a hydrophilic fibrous material, a polymer electrolyte, and a solvent. In the catalyst ink preparation process, two types of catalyst inks with different mass ratios of hydrophobic fibrous material to fibrous material are prepared. The catalyst ink with a smaller mass ratio of hydrophobic fibrous material to fibrous material was designated as the first catalyst ink, and the catalyst ink with a larger mass ratio of hydrophobic fibrous material to fibrous material was designated as the second catalyst ink.
触媒部形成工程は、第一の触媒インクを基材に塗布して乾燥させることにより第一の電極触媒部2a(又は3a)を形成する第一工程及び、第二の触媒インクを基材に塗布して乾燥させることにより第二の電極触媒部2b(又は3b)を形成する第二工程を有する。
触媒部形成工程において、基材に対する、第一の触媒インクの塗布領域と上記第二の触媒インクの塗布領域とが重ならいように第一の触媒インク及び第二の触媒インクの塗布を行う。これにより、第一の電極触媒部2a(又は3a)及び第二の電極触媒部2b(又は3b)を有する電極触媒層2(又は3)が形成される。
The catalyst part formation process includes a first step of forming a first
In the catalyst portion forming step, the first catalyst ink and the second catalyst ink are applied to the substrate so that the application area of the first catalyst ink does not overlap with the application area of the second catalyst ink, thereby forming an electrode catalyst layer 2 (or 3) having a first
積層工程では、基材に形成した電極触媒層2(又は3)を高分子電解質膜1の上に貼り付けて積層する工程である。積層工程において、電極触媒層2(又は3)に流入するガスの流れ方向に対し、第一の電極触媒部2a(又は3a)を上記ガスの流れ方向の入口側に、第二の電極触媒部2b(又は3b)を上記ガスの流れ方向の出口側になるように設定して貼り付ける。なお、基材が高分子電解質膜1である場合つまり、高分子電解質膜1に直接、電極触媒層2(又は3)を形成した場合には、触媒部形成工程を行うことで積層工程を行うこととなる。
電極触媒層2、3を高分子電解質膜1の上下各面に貼り付けることで、膜電極接合体11が得られる。電極触媒層2、3の両方が上述の方法で製造されたものであってもよいし、一方が上述の方法で製造され、他方が従来の方法で製造されたものであってもよい。
The lamination step is a step of laminating the electrode catalyst layer 2 (or 3) formed on the substrate on the
The electrode catalyst layers 2, 3 are attached to the upper and lower surfaces of the
〔詳細説明〕
以下、膜電極接合体11及び固体高分子形燃料電池12について更に詳細に説明する。
高分子電解質膜1としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、例えば、フッ素系高分子電解質膜又は、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。フッ素系高分子電解質膜として、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子株式会社製Flemion(登録商標)、旭化成株式会社製Aciplex(登録商標)、ダブリュー.エル.ゴア アンド アソシエーツ社製Gore Select(登録商標)等を用いることができる。
Detailed Description
The
The
また、炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。特に、高分子電解質膜1として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を用いることが好適である。
電極触媒層2、3は、触媒インクを用いて高分子電解質膜1の両面に形成される。電極触媒層2、3用の触媒インクは、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子、疎水性繊維状物質と親水性繊維状物質の繊維状物質、高分子電解質、及び溶媒を含み、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比の異なる二種類の組成を用いる。
As the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, for example, electrolyte membranes made of sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, etc. are usable. In particular, it is preferable to use a Nafion (registered trademark)-based material manufactured by DuPont as the
The electrode catalyst layers 2, 3 are formed using a catalyst ink on both sides of the
触媒インクに含まれる高分子電解質は、プロトン伝導性を有するものであれば良い。高分子電解質には、高分子電解質膜1と同様の材料を用いることができる。高分子電解質には、例えば、フッ素系高分子電解質又は、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質として、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料等を用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を用いることが好適である。
The polymer electrolyte contained in the catalyst ink may be any material that has proton conductivity. The polymer electrolyte may be made of the same material as the
本実施形態で用いる触媒(以下、触媒粒子あるいは触媒と称すことがある)としては、白金族元素、金属、その金属の合金や酸化物、複酸化物等を用いることができる。白金族元素としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムがあり、金属としては、鉄、鉛、銅、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、ガリウムもしくはアルミニウム等が例示できる。なお、ここでいう複酸化物とは2種類の金属からなる酸化物のことをいう。
触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極反応性に優れ、電極反応を効率良く安定して行うことができる。触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極触媒層2、3を備えた固体高分子形燃料電池12が高い発電特性を示すので好ましい。
The catalyst used in this embodiment (hereinafter sometimes referred to as catalyst particles or catalyst) may be a platinum group element, a metal, an alloy, an oxide, or a double oxide of the metal. Examples of the platinum group element include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, and examples of the metal include iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. The double oxide referred to here means an oxide made of two types of metals.
When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the electrode reactivity is excellent and the electrode reaction can be efficiently and stably performed. When the catalyst particles are one or more metals selected from platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium, the polymer
上述の触媒を担持する電子伝導性の粉末、すなわち担体としては、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであれば限定されるものではない。カーボン粒子としては、例えば、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。
カーボン粒子の平均粒子径は、10nm以上1000nm以下の範囲内に含まれることが好ましく、10nm以上100nm以下の範囲内に含まれることがより好ましい。ここで、平均粒子径とは、SEM像から求めた平均粒子径である。カーボン粒子の平均粒子径が10nm以上1000nm以下の範囲内に含まれる場合、触媒の活性及び安定性が向上するため好ましい。また、カーボン粒子の平均粒子径が10nm以上1000nm以下の範囲に含まれる場合には、電子伝導パスが形成されやすくなり、また、2つの電極触媒層2、3のガス拡散性および触媒の利用率が向上するため好ましい。
Carbon particles are generally used as the electron conductive powder that supports the above-mentioned catalyst, i.e., the carrier. The type of carbon particles is not limited as long as they are fine particles, conductive, and are not affected by the catalyst. Examples of carbon particles that can be used include carbon black, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotubes, and fullerene.
The average particle diameter of the carbon particles is preferably within the range of 10 nm to 1000 nm, and more preferably within the range of 10 nm to 100 nm. Here, the average particle diameter is the average particle diameter obtained from a SEM image. When the average particle diameter of the carbon particles is within the range of 10 nm to 1000 nm, the activity and stability of the catalyst are improved, which is preferable. In addition, when the average particle diameter of the carbon particles is within the range of 10 nm to 1000 nm, an electron conduction path is easily formed, and the gas diffusion properties and catalyst utilization rate of the two electrode catalyst layers 2 and 3 are improved, which is preferable.
上述の触媒担持粒子は、疎水性被膜を備えたものでも良い。言い換えれば、触媒を担持した粒子は、疎水性被膜によって覆われてもよい。この場合、疎水性被膜は、十分に反応ガスを透過する膜厚を有することが好ましい。疎水性被膜の膜厚は、具体的には40nm以下であることが好ましい。40nmよりも厚くなると活性点への反応ガスの供給が阻害される場合がある。一方、疎水性被膜が40nm以下であれば十分に反応ガスが疎水性被膜を透過するため、触媒担持粒子に疎水性を付与することができる。
また、触媒担持粒子を覆う疎水性被膜の膜厚は、十分に生成水を撥水する膜厚であることが好ましい。疎水性被膜の膜厚は、具体的には2nm以上であることが好ましい。疎水性被膜がこれよりも薄くなると生成水が滞留し、活性点への反応ガスの供給が阻害される場合がある。すなわち、疎水性被膜が2nm以上の厚さを有することによって、生成水の滞留を抑え、これによって、活性点に対する反応ガスの供給が阻害されることが抑えられる。
The above-mentioned catalyst-supporting particles may be provided with a hydrophobic coating. In other words, the particles supporting the catalyst may be covered with a hydrophobic coating. In this case, it is preferable that the hydrophobic coating has a thickness that allows the reaction gas to pass through sufficiently. Specifically, the thickness of the hydrophobic coating is preferably 40 nm or less. If the thickness is greater than 40 nm, the supply of the reaction gas to the active points may be hindered. On the other hand, if the hydrophobic coating is 40 nm or less, the reaction gas can pass through the hydrophobic coating sufficiently, and therefore the catalyst-supporting particles can be provided with hydrophobicity.
In addition, the thickness of the hydrophobic coating covering the catalyst-supporting particles is preferably a thickness that sufficiently repels the generated water. Specifically, the thickness of the hydrophobic coating is preferably 2 nm or more. If the hydrophobic coating is thinner than this, the generated water may accumulate, and the supply of the reaction gas to the active points may be hindered. That is, by having the hydrophobic coating have a thickness of 2 nm or more, the accumulation of the generated water is suppressed, and thus the supply of the reaction gas to the active points is prevented from being hindered.
触媒担持粒子を覆う疎水性被膜は、例えば、少なくとも一つの極性基を有するフッ素系化合物から形成される。極性基には、例えば、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、エステル基、エーテル基、カーボネート基、アミド基などが挙げられる。極性基の存在により、電極触媒層の最表面にフッ素系化合物を固定化することができる。フッ素系化合物における極性基以外の部分は、疎水性及び化学的安定性の高さからフッ素及びカーボンからなる構造であることが好ましい。しかし、疎水性被膜が十分な疎水性及び化学的安定性を有するならばこのような構造に限られるものではない。 The hydrophobic coating covering the catalyst-supported particles is formed, for example, from a fluorine-based compound having at least one polar group. Examples of polar groups include hydroxyl groups, alkoxy groups, carboxyl groups, ester groups, ether groups, carbonate groups, and amide groups. The presence of the polar group allows the fluorine-based compound to be fixed to the outermost surface of the electrode catalyst layer. The portion of the fluorine-based compound other than the polar group is preferably a structure consisting of fluorine and carbon because of its high hydrophobicity and chemical stability. However, the hydrophobic coating is not limited to such a structure as long as it has sufficient hydrophobicity and chemical stability.
疎水性繊維状物質は、疎水性を持つものであれば特に制限されず、導電性繊維を用いることができる。導電性繊維としては、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維が例示できる。気相成長炭素繊維の例として、昭和電工株式会社製VGCF(登録商標)等を用いることができる。これらの疎水性繊維状物質は、1種のみを単独で使用してもよいが、2種以上を併用しても良い。
親水性繊維状物質は、親水性を持つものであれば特に制限されず、親水性を持つように作られた導電性繊維を用いても良いし、親水性を持たない導電性繊維に親水性を付与しても良い。親水性の付与方法としては、例えばオゾンや酸素プラズマ処理、電解酸化、混酸処理などが挙げられる。これらの親水性繊維状物質は、1種のみを単独で使用してもよいが、2種以上を併用しても良い。
The hydrophobic fibrous material is not particularly limited as long as it has hydrophobicity, and conductive fibers can be used. Examples of conductive fibers include carbon nanofibers, carbon nanotubes, and vapor-grown carbon fibers. Examples of vapor-grown carbon fibers include VGCF (registered trademark) manufactured by Showa Denko K.K. These hydrophobic fibrous materials may be used alone or in combination of two or more.
The hydrophilic fibrous material is not particularly limited as long as it has hydrophilicity, and a conductive fiber made to have hydrophilicity may be used, or a conductive fiber that does not have hydrophilicity may be imparted with hydrophilicity. Examples of a method for imparting hydrophilicity include ozone or oxygen plasma treatment, electrolytic oxidation, and mixed acid treatment. These hydrophilic fibrous materials may be used alone or in combination of two or more kinds.
触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子、疎水性繊維状物質と親水性繊維状物質の繊維状物質、高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解又は微細ゲルとして分散できるものあれば特に限定されるものではない。しかしながら、溶媒には、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれていることが望ましい。触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、アルコール類、ケトン系溶剤、エーテル系溶剤、極性溶剤等であってよい。アルコール類は、例えば、メタノール、エタノール、1‐プロパノール、2‐プロパノール、1‐ブタノール、2‐ブタノール、イソブチルアルコール、tert‐ブチルアルコール、ペンタノール等であってよい。ケトン系溶剤は、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトン等であってよい。エーテル系溶剤は、例えば、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等であってよい。極性溶剤は、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N‐メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1‐メトキシ‐2‐プロパノール等であってよい。また、溶媒は、上述の材料のうち2種以上を混合させた混合溶媒であってもよい。 The solvent used as the dispersion medium of the catalyst ink is not particularly limited as long as it does not corrode the catalyst-supported particles made of carbon particles carrying a catalyst, the fibrous material made of hydrophobic fibrous material and hydrophilic fibrous material, and the polymer electrolyte, and can dissolve the polymer electrolyte in a highly fluid state or disperse it as a fine gel. However, it is preferable that the solvent contains at least a volatile organic solvent. The solvent used as the dispersion medium of the catalyst ink may be alcohols, ketone-based solvents, ether-based solvents, polar solvents, etc. Alcohols may be, for example, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanol, etc. Ketone-based solvents may be, for example, acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone, etc. The ether solvent may be, for example, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, dibutyl ether, etc. The polar solvent may be, for example, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, etc. The solvent may also be a mixed solvent in which two or more of the above-mentioned materials are mixed.
また、低級アルコールを用いた分散媒は発火の危険性が高いため、低級アルコールを分散媒として用いる場合は、低級アルコールと水との混合溶媒を用いることが好ましい。更に、分散媒には、高分子電解質となじみが良い水、すなわち高分子電解質に対する親和性が高い水が含まれていても良い。分散媒における水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限されるものではない。
触媒が担持されたカーボン粒子を触媒インクにおいて分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、例えば、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤等を挙げることができる。
In addition, since a dispersion medium using a lower alcohol has a high risk of ignition, it is preferable to use a mixed solvent of a lower alcohol and water when using a lower alcohol as the dispersion medium. Furthermore, the dispersion medium may contain water that is compatible with the polymer electrolyte, i.e., water that has a high affinity for the polymer electrolyte. The amount of water added to the dispersion medium is not particularly limited as long as the polymer electrolyte does not separate and become cloudy or gel.
In order to disperse the catalyst-supported carbon particles in the catalyst ink, the catalyst ink may contain a dispersant, such as an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, or a nonionic surfactant.
アニオン界面活性剤の例として、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・N‐メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成リン酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム等のカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホコハク酸ジアルキル塩、1,2‐ビス(アルコキシカルボニル)‐1‐エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α‐オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート‐ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α‐オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油等の硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノ又はジ)アルキル塩、(モノ又はジ)アルキルホスフェート、(モノ又はジ)アルキルリン酸エステル塩、リン酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、リン酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のリン酸エステル型界面活性剤等が挙げられる。 Examples of anionic surfactants include alkyl ether carboxylates, ether carboxylates, alkanoyl sarcosines, alkanoyl glutamates, acyl glutamates, oleic acid/N-methyl taurine, potassium oleate/diethanolamine salt, alkyl ether sulfate/triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate/triethanolamine salt, amine salts of special modified polyether ester acids, amine salts of higher fatty acid derivatives, amine salts of special modified polyester acids, amine salts of high molecular weight polyether ester acids, amine salts of special modified phosphate esters, amide amine salts of high molecular weight polyester acids, amide amine salts of special fatty acid derivatives, etc. salts, alkylamine salts of higher fatty acids, amidoamine salts of high molecular weight polycarboxylic acids, carboxylic acid surfactants such as sodium laurate, sodium stearate, and sodium oleate, dialkyl sulfosuccinates, dialkyl sulfosuccinates, 1,2-bis(alkoxycarbonyl)-1-ethanesulfonates, alkyl sulfonates, alkyl sulfonates, paraffin sulfonates, α-olefin sulfonates, linear alkylbenzene sulfonates, alkylbenzene sulfonates, polynaphthylmethanesulfonates, polynaphthylmethanesulfonates, naphthalenesulfonate-formalin condensates, alkylnaphthalenesulfonates, alkanoyl Sulfonic acid surfactants such as methyl tauride, sodium lauryl sulfate, sodium cetyl sulfate, sodium stearyl sulfate, sodium oleyl sulfate, lauryl ether sulfate, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, and α-olefin sulfonate; sulfate ester surfactants such as alkyl sulfate, alkyl sulfate, alkyl ether sulfate, polyoxyethylene alkyl ether sulfate, alkyl polyethoxy sulfate, polyglycol ether sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, sulfated oil, and highly sulfated oil. , (mono- or di-)alkyl phosphate salts, (mono- or di-)alkyl phosphate salts, (mono- or di-)alkyl phosphate ester salts, alkyl polyoxyethylene phosphate salts, alkyl ether phosphates, alkyl polyethoxy phosphate salts, polyoxyethylene alkyl ethers, alkyl phenyl polyoxyethylene phosphate salts, alkyl phenyl ether phosphates, alkyl phenyl polyethoxy phosphate salts, polyoxyethylene alkyl phenyl ether phosphates, higher alcohol phosphate monoester disodium salts, higher alcohol phosphate diester disodium salts, and zinc dialkyl dithiophosphates.
カチオン界面活性剤の例として、ベンジルジメチル{2-[2-(P-1,1,3,3-テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1-ヒドロキシエチル-2-牛脂イミダゾリン4級塩、2-ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物等が挙げられる。 Examples of cationic surfactants include benzyldimethyl{2-[2-(P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy)ethoxy]ethyl}ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, beef tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconut dimethylbenzyl ammonium chloride, tetradecyldimethylbenzyl Examples include ammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-beef tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethyl imidazoline, stearamidoethyl diethylamine acetate, stearamidoethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkylpyridinium salt, higher alkylamine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, perfluoroalkyl quaternary ammonium iodide, etc.
両性界面活性剤の例として、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3‐[ω‐フルオロアルカノイル‐N‐エチルアミノ]‐1‐プロパンスルホン酸ナトリウム、N‐[3‐(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]‐N,N‐ジメチル‐N‐カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等が挙げられる。 Examples of amphoteric surfactants include dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium lauryl aminoethyl glycine, sodium lauryl aminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amido betaine, imidazolinium betaine, lecithin, sodium 3-[ω-fluoroalkanoyl-N-ethylamino]-1-propanesulfonate, N-[3-(perfluorooctanesulfonamido)propyl]-N,N-dimethyl-N-carboxymethylene ammonium betaine, etc.
非イオン界面活性剤の例として、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステル等が挙げられる。 Examples of nonionic surfactants include coconut fatty acid diethanolamide (1:2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1:1 type), cow fatty acid diethanolamide (1:2 type), cow fatty acid diethanolamide (1:1 type), oleic acid diethanolamide (1:1 type), hydroxyethyl laurylamine, polyethylene glycol laurylamine, polyethylene glycol coconut amine, polyethylene glycol stearylamine, polyethylene glycol tallow amine, polyethylene glycol tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleylamine, dimethyl laurylamine oxide, dimethyl stearylamine oxide, dihydroxyethyl laurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, polyvinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adducts, alkylphenol ethylene oxide adducts, fatty acid ethylene oxide adducts, polypropylene glycol ethylene oxide adducts, fatty acid esters of glycerin, fatty acid esters of pentaerythritol, fatty acid esters of sorbitol, fatty acid esters of sorbitan, fatty acid esters of sugar, etc.
上述した界面活性剤の中でも、アルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α‐オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α‐オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化等の観点から、分散剤として好適である。 Among the surfactants mentioned above, sulfonic acid type surfactants such as alkylbenzene sulfonic acid, oil-soluble alkylbenzene sulfonic acid, α-olefin sulfonic acid, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, and α-olefin sulfonate are suitable as dispersants from the viewpoints of the carbon dispersion effect and the change in catalyst performance due to residual dispersant.
また、触媒インクには、必要に応じて分散処理が行われてもよい。触媒インクの粘度と、触媒インクに含まれる粒子のサイズとを、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を採用して行うことができる。特に、分散処理の方法は限定されるものではない。例えば、分散処理としては、ボールミルおよびロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理等が挙げられる。また、分散処理には、遠心力によって攪拌を行うホモジナイザー等を採用しても良い。触媒インクに分散処理を行う分散時間が長くなることに伴い、触媒担持粒子の凝集体が破壊されるから、触媒インクを用いて形成された電極触媒層において、細孔容積は小さくなる。 The catalyst ink may be subjected to a dispersion process as necessary. The viscosity of the catalyst ink and the size of the particles contained in the catalyst ink can be controlled by the conditions of the dispersion process of the catalyst ink. The dispersion process can be performed using various devices. In particular, the method of the dispersion process is not limited. For example, the dispersion process may be performed using a ball mill or a roll mill, a shear mill, a wet mill, or an ultrasonic dispersion process. A homogenizer that stirs by centrifugal force may also be used for the dispersion process. As the dispersion time for which the catalyst ink is subjected to the dispersion process increases, the aggregates of the catalyst-supported particles are destroyed, and the pore volume becomes smaller in the electrode catalyst layer formed using the catalyst ink.
触媒インク中の固形分含有量が多すぎる場合、触媒インクの粘度が高くなるため、電極触媒層2、3の表面にクラックが入りやすくなる。一方、触媒インク中の固形分含有量が少なすぎる場合、成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。したがって、触媒インク中の固形分含有量は、1質量%(wt%)以上50質量%以下であることが好ましい。すなわち、触媒インク中の固形分含有量が1質量%以上であることによって、成膜レートが過剰に遅くなることを抑え、これによって、生産性の低下を抑えることが可能である。触媒インク中の固形分含有量が50質量%以下であることによって、触媒インクの粘度が過剰に高くなることを抑え、これによって、電極触媒層2、3の表面にクラックが生じることが抑えられる。
触媒インクを基材上に塗布する塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法等を採用することができる。
電極触媒層2、3の製造に用いる基材としては、転写シートを用いることができる。
If the solid content in the catalyst ink is too high, the viscosity of the catalyst ink increases, and cracks are likely to occur on the surfaces of the electrode catalyst layers 2 and 3. On the other hand, if the solid content in the catalyst ink is too low, the film formation rate is very slow, and productivity decreases. Therefore, the solid content in the catalyst ink is preferably 1% by mass (wt%) or more and 50% by mass or less. That is, by having the solid content in the catalyst ink be 1% by mass or more, it is possible to prevent the film formation rate from becoming excessively slow, and thereby to prevent a decrease in productivity. By having the solid content in the catalyst ink be 50% by mass or less, the viscosity of the catalyst ink is prevented from becoming excessively high, and thus the occurrence of cracks on the surfaces of the electrode catalyst layers 2 and 3 is prevented.
The method for applying the catalyst ink onto the substrate may be a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, or the like.
As the substrate used in producing the electrode catalyst layers 2 and 3, a transfer sheet can be used.
基材として用いられる転写シートとしては、転写性が良い材質であれば良く、例えば、フッ素系樹脂を用いることができる。フッ素系樹脂としては、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、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(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げることができる。また、転写シートとして、高分子シート、高分子フィルムを用いることもできる。高分子シート、高分子フィルムの材料としては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド(ナイロン(登録商標))、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等を用いることができる。また、基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜1に溶媒除去後の塗膜である電極膜を接合した後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2、3を備える膜電極接合体11とすることができる。
The transfer sheet used as the substrate may be made of any material having good transferability, such as fluororesin. Examples of fluororesin include ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkylvinylether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. Polymer sheets and polymer films may also be used as the transfer sheet. Materials for the polymer sheets and polymer films include polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon (registered trademark)), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, and polyethylene naphthalate. When a transfer sheet is used as the substrate, the electrode membrane, which is a coating film after removing the solvent, is bonded to the
ガス拡散層4、5としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質を用いることができる。例えば、ガス拡散層4、5として、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布等のポーラスカーボン材を用いることができる。
セパレータ10(10a、10b)としては、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。なお、ガス拡散層4、5とセパレータ10(10a、10b)はそれぞれ一体構造となっていても良い。また、セパレータ10(10a、10b)もしくは電極触媒層2、3が、ガス拡散層4、5の機能を果たす場合は、ガス拡散層4、5は省略しても良い。
固体高分子形燃料電池12は、ガス供給装置、冷却装置等、その他付随する装置を組み立てることにより製造することができる。
A material having gas diffusibility and electrical conductivity can be used for the
The separator 10 (10a, 10b) may be of a carbon type or a metal type. The gas diffusion layers 4, 5 and the separator 10 (10a, 10b) may each be integral with each other. In addition, when the separator 10 (10a, 10b) or the electrode catalyst layers 2, 3 function as the gas diffusion layers 4, 5, the gas diffusion layers 4, 5 may be omitted.
The polymer
<効果その他>
本実施形態に係る膜電極接合体11の電極触媒層2、3において、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)における繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比を、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)での質量比と比較して小さくする。
この構成によれば、ガスの入口側に設ける第一の電極触媒部2a(又は3a)で保水性を高め、ガスの出口側に設ける第二の電極触媒部2b(又は3b)で水の除去を促進することができ、低加湿条件下でも高い発電特性を得ることができる。
<Other Effects>
In the electrode catalyst layers 2 and 3 of the
According to this configuration, the first
このため、製造工程の大幅な変更等を伴うことなく、またコストの大幅な増加を伴うことなく、高い発電特性を得ることができる。
なお、上記実施形態においては、電極触媒層2及び3のそれぞれに第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とを設けた場合について説明したが、これに限るものではなく、電極触媒層2及び3のそれぞれに、三つ以上の電極触媒部を設けてもよい。電極触媒層2及び3それぞれに三つ以上の電極触媒部を設ける場合には、ガスの上流側に近いほど、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が、ガスの下流側の電極触媒部よりも小さくなるようにすることが好ましい。
Therefore, high power generation characteristics can be obtained without any significant changes to the manufacturing process or a significant increase in costs.
In the above embodiment, a case has been described in which a first electrode catalyst portion and a second electrode catalyst portion are provided in each of the electrode catalyst layers 2 and 3, but the present invention is not limited thereto, and three or more electrode catalyst portions may be provided in each of the electrode catalyst layers 2 and 3. When three or more electrode catalyst portions are provided in each of the electrode catalyst layers 2 and 3, it is preferable that the mass ratio of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material is smaller closer to the upstream side of the gas than that of the electrode catalyst portion on the downstream side of the gas.
例えば、第三の電極触媒部は、第一の電極触媒部2a、3a用の触媒インクと第二の電極触媒部2b、3b用の触媒インクとが混ざり合った混合部として形成する。もっとも、第三の電極触媒部を、上述の構成(a)、(b)とは異なる組成から構成しても良い。ただし、上述の構成(a)、(b)とは異なる組成から構成する場合、第三の電極触媒部は、電極触媒層全体の面積の20%以下とすることが好ましい。また、各電極触媒部間の境界線は、平面視で直線状でなくても良い。境界線は蛇行状などの形状であっても良い。
また、膜電極接合体11において、高分子電解質膜1の両面に形成される電極触媒層2及び3のうち、一方の電極触媒層2又は3のみに、第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とが設けられていてもよい。
For example, the third electrode catalyst portion is formed as a mixture of the catalyst ink for the first
In addition, in the
一方の電極触媒層2又は3のみに第一の電極触媒部及び第二の電極触媒部を設けた場合、二つの電極触媒部を有する電極触媒層は、電極反応により水が発生する空気極(カソード)側に配置することが好ましい。ただし、低加湿条件下における高分子電解質の水分保持の点から、二つの電極触媒部を有する電極触媒層は高分子電解質膜1の両面に形成されることが、より好ましい。
また、図1では電極触媒層2又は3の第一の電極触媒部と第二の電極触媒部が同等の面積で二分割されている(電極触媒層2に対する第一の電極触媒部の面積率が50%)の例を示しているが、これに限定されない。
When the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion are provided only on one of the electrode catalyst layers 2 or 3, the electrode catalyst layer having the two electrode catalyst portions is preferably disposed on the air electrode (cathode) side where water is generated by the electrode reaction. However, from the viewpoint of water retention in the polymer electrolyte under low humidification conditions, it is more preferable that the electrode catalyst layer having the two electrode catalyst portions is formed on both sides of the
In addition, FIG. 1 shows an example in which the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion of the
電極触媒層2又は3に対する第一の電極触媒部の面積率は15%以上60%以下であることがガスの反応性の面から好ましい。電極触媒層2又は3に対する第一の電極触媒部の面積率が15%に満たない場合は、低加湿条件下における保水効果が弱く、高い発電特性が得られない。また、電極触媒層2又は3に対する第一の電極触媒部の面積率が60%を超える場合は、燃料極及び空気極における物質輸送の妨げにより発電反応が停止するフラッディング現象が生じるため、高い発電特性が得られない。
From the viewpoint of gas reactivity, it is preferable that the area ratio of the first electrode catalyst part to the
次に、本実施形態に関する発明の実施例について説明する。
以下に、本実施形態における固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明するが、本実施形態は下記の実施例及び比較例によって制限されるものではない。
Next, examples of the present invention related to this embodiment will be described.
Hereinafter, the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to specific examples and comparative examples. However, the present embodiment is not limited to the following examples and comparative examples.
<実施例>
〔触媒インクの調整〕
担持密度30質量%である白金担持カーボン触媒と、平均繊維長が1.5μmである疎水性繊維状物質(カーボンファイバー)及び親水性繊維状物質(酸化処理したカーボンファイバー)と、イオン交換容量が1.4meq/gである高分子電解質を含む20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、第一の触媒インクを作製した。第一の触媒インクは、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が0.3の組成比、繊維状物質に対する親水性繊維状物質の質量比が0.7の組成比として、カーボン粒子と繊維状物質と高分子電解質との配合比を質量比で1:0.3:0.8とした。
<Example>
[Preparation of catalyst ink]
A platinum-supported carbon catalyst with a support density of 30% by mass, a hydrophobic fibrous material (carbon fiber) and a hydrophilic fibrous material (oxidized carbon fiber) with an average fiber length of 1.5 μm, and a 20% by mass polymer electrolyte solution containing a polymer electrolyte with an ion exchange capacity of 1.4 meq/g were mixed in a solvent and dispersed for 30 minutes in a planetary ball mill to prepare a first catalyst ink. The first catalyst ink had a composition ratio of 0.3 by mass of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material, a composition ratio of 0.7 by mass of the hydrophilic fibrous material to the fibrous material, and a compounding ratio of 1:0.3:0.8 by mass between the carbon particles, the fibrous material, and the polymer electrolyte.
次に、担持密度30質量%である白金担持カーボン触媒と、平均繊維長が1.5μmである疎水性繊維状物質及び親水性繊維状物質と、イオン交換容量が1.4meq/gである高分子電解質を含む20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、第二の触媒インクを作製した。第二の触媒インクは、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が0.7の組成比、繊維状物質に対する親水性繊維状物質の質量比が0.3の組成比として、カーボン粒子と繊維状物質と高分子電解質との配合比を質量比で1:0.3:0.8とした。
各触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールの体積比で1:1とした。また、各触媒インクにおける固形分含有量は、それぞれ8質量%となるように調整した。
Next, a platinum-supported carbon catalyst with a support density of 30% by mass, a hydrophobic fibrous material and a hydrophilic fibrous material with an average fiber length of 1.5 μm, and a 20% by mass polymer electrolyte solution containing a polymer electrolyte with an ion exchange capacity of 1.4 meq/g were mixed in a solvent, and a dispersion process was performed for 30 minutes using a planetary ball mill to prepare a second catalyst ink. The second catalyst ink had a composition ratio of 0.7 by mass of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material, a composition ratio of 0.3 by mass of the hydrophilic fibrous material to the fibrous material, and a compounding ratio of 1:0.3:0.8 by mass between the carbon particles, the fibrous material, and the polymer electrolyte.
The solvent for each catalyst ink was ultrapure water and 1-propanol in a volume ratio of 1: 1. The solid content in each catalyst ink was adjusted to 8% by mass.
〔電極触媒層の形成〕
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートの基材に対し、作製した触媒インクをドクターブレード法で塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させた。第一の触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)として白金担持量0.1mg/cm2になり、また、空気極(カソード)として白金担持量0.3mg/cm2になるように調整し、電極触媒層(第一の電極触媒部)を形成した。また、第二の触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)として白金担持量0.1mg/cm2になり、空気極(カソード)として白金担持量0.3mg/cm2になるように調整し、電極触媒層(第二の電極触媒部)を形成した。
[Formation of Electrode Catalyst Layer]
The prepared catalyst ink was applied to a substrate of polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet by the doctor blade method and dried at 80 ° C. in an air atmosphere. The amount of application of the first catalyst ink was adjusted so that the platinum loading amount was 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode) and the platinum loading amount was 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode), forming an electrode catalyst layer (first electrode catalyst part). The amount of application of the second catalyst ink was adjusted so that the platinum loading amount was 0.1 mg / cm 2 as the fuel electrode (anode) and the platinum loading amount was 0.3 mg / cm 2 as the air electrode (cathode), forming an electrode catalyst layer (second electrode catalyst part).
〔膜電極接合体の作製〕
それぞれの電極触媒層を形成した基材を5cm×2.5cmにそれぞれ打ち抜き、第一の電極触媒部がガスの入口側、第二の電極触媒部がガスの出口側となるように配置させて、5cm×5cmの電極触媒層とした。この電極触媒層を高分子電解質膜1の両面に配置させ、転写温度130℃、転写圧力5.0×106Paの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体11を得た。
[Preparation of Membrane Electrode Assembly]
The substrates on which the respective electrode catalyst layers were formed were punched out to 5 cm x 2.5 cm, and the first electrode catalyst part was positioned on the gas inlet side, and the second electrode catalyst part was positioned on the gas outlet side to obtain an electrode catalyst layer of 5 cm x 5 cm. These electrode catalyst layers were placed on both sides of the
<比較例>
〔触媒インクの調整〕
担持密度30質量%である白金担持カーボン触媒と、平均繊維長が1.5μmである疎水性繊維状物質及び親水性繊維状物質と、高分子電解質溶液としてイオン交換容量が1.4meq/gである高分子電解質を含む20質量%高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、触媒インクを作製した。触媒インクは、繊維状物質に対する疎水性繊維状物質の質量比が0.5の組成比、繊維状物質に対する親水性繊維状物質の質量比が0.5の組成比として、カーボン粒子と繊維状物質と高分子電解質との配合比を質量比で1:0.3:0.8とした。触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールの体積比で1:1とした。また、触媒インクにおける固形分含有量は、それぞれ8質量%となるように調整した。
これにより、触媒インクが得られた。この触媒インクは、実施例における第一の触媒インクと第二の触媒インクの全ての成分を一度に混合、分散して得られたものである。
Comparative Example
[Preparation of catalyst ink]
A platinum-supported carbon catalyst with a support density of 30% by mass, a hydrophobic fibrous material and a hydrophilic fibrous material with an average fiber length of 1.5 μm, and a 20% by mass polymer electrolyte solution containing a polymer electrolyte with an ion exchange capacity of 1.4 meq/g were mixed in a solvent, and a dispersion treatment was performed for 30 minutes using a planetary ball mill to prepare a catalyst ink. The catalyst ink had a composition ratio of 0.5 by mass of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material, a composition ratio of 0.5 by mass of the hydrophilic fibrous material to the fibrous material, and a blending ratio of the carbon particles, the fibrous material, and the polymer electrolyte was 1:0.3:0.8 by mass. The solvent for the catalyst ink was ultrapure water and 1-propanol in a volume ratio of 1:1. The solid content in the catalyst ink was adjusted to 8% by mass for each.
This resulted in the production of a catalyst ink, which was obtained by mixing and dispersing all of the components of the first catalyst ink and the second catalyst ink in the examples at once.
〔電極触媒層の形成〕
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートの基材に対し、作製した触媒インクをドクターブレード法で塗布し、大気雰囲気中80℃で乾燥させた。触媒インクの塗布量は、燃料極(アノード)として白金担持量0.1mg/cm2になり、空気極(カソード)として白金担持量0.3mg/cm2になるように調整し、電極触媒層を形成した。
〔膜電極接合体の作製〕
それぞれの電極触媒層を形成した基材を5cm×5cmにそれぞれ打ち抜き、この電極触媒層を高分子電解質膜の両面に配置させ、転写温度130℃、転写圧力5.0×106Paの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体を得た。
[Formation of Electrode Catalyst Layer]
The prepared catalyst ink was applied to a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet substrate by a doctor blade method and dried in an air atmosphere at 80° C. The amount of catalyst ink applied was adjusted so that the fuel electrode (anode) had a platinum loading of 0.1 mg/ cm2 and the air electrode (cathode) had a platinum loading of 0.3 mg/ cm2 , forming an electrode catalyst layer.
[Preparation of Membrane Electrode Assembly]
The substrates on which the respective electrode catalyst layers were formed were punched out to 5 cm x 5 cm, and the electrode catalyst layers were placed on both sides of a polymer electrolyte membrane. Hot pressing was performed under conditions of a transfer temperature of 130°C and a transfer pressure of 5.0 x 106 Pa to obtain membrane electrode assemblies.
<評価>
〔発電特性〕
実施例および比較例で得られた各膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層としてカーボンペーパーを貼りあわせて、発電評価セル内に設置し、燃料電池測定装置を用いて電流電圧測定を行った。測定時のセル温度は80℃とし、運転条件は以下に示すフル加湿と低加湿を採用した。また、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用い、利用率一定による流量制御を行った。なお、背圧は50kPaとした。
〔運転条件〕
条件1(フル加湿):相対湿度 アノード100%RH、カソード100%RH
条件2(低加湿) :相対湿度 アノード30%RH、カソード30%RH
<Evaluation>
[Power generation characteristics]
Carbon paper was attached as a gas diffusion layer so as to sandwich each of the membrane electrode assemblies obtained in the examples and comparative examples, and the assembly was placed in a power generation evaluation cell, and current and voltage measurements were performed using a fuel cell measurement device. The cell temperature during the measurements was 80°C, and the operating conditions were full humidification and low humidification as shown below. Hydrogen was used as the fuel gas and air as the oxidant gas, and flow rate control was performed with a constant utilization rate. The back pressure was 50 kPa.
[Operating conditions]
Condition 1 (full humidification): Relative humidity anode 100% RH, cathode 100% RH
Condition 2 (low humidity): Relative humidity: anode 30% RH, cathode 30% RH
〔測定結果〕
実施例で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも、低加湿の運転条件下で優れた発電性能を示した。また、実施例で作製した膜電極接合体は、低加湿の運転条件下においても、フル加湿の運転条件下と同等レベルの発電性能であった。特に電流密度1.5A/cm2付近の発電性能が向上した。実施例で作製した膜電極接合体の電流密度1.5A/cm2におけるセル電圧は、比較例で作製した膜電極接合体の電流密度1.5A/cm2におけるセル電圧と比べて0.21V高い発電特性を示した。
[Measurement results]
The membrane electrode assembly prepared in the examples showed better power generation performance under low humidification operating conditions than the membrane electrode assembly prepared in the comparative examples. Moreover, the membrane electrode assembly prepared in the examples showed the same level of power generation performance under low humidification operating conditions as under full humidification operating conditions. In particular, the power generation performance was improved at a current density of about 1.5 A/cm 2. The cell voltage of the membrane electrode assembly prepared in the examples at a current density of 1.5 A/cm 2 showed a power generation characteristic 0.21 V higher than the cell voltage of the membrane electrode assembly prepared in the comparative examples at a current density of 1.5 A/cm 2 .
実施例で作製した膜電極接合体と比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、実施例の膜電極接合体は保水性が高まり、低加湿の運転条件下における発電特性が、フル加湿の運転条件下と同等の発電特性を示すことが確認された。
また、フル加湿の運転条件下では、実施例で作製した膜電極接合体の電流密度1.5A/cm2におけるセル電圧は、比較例で作製した膜電極接合体の電流密度1.5A/cm2におけるセル電圧と比べて0.13V高い発電特性を示した。
実施例で作製した膜電極接合体と比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、実施例で作製した膜電極接合体では、反応ガスの拡散性が高く、電極反応で生成した水の除去等を阻害していないことが確認された。
From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assemblies prepared in the Examples and the membrane electrode assemblies prepared in the Comparative Examples, it was confirmed that the membrane electrode assemblies of the Examples had improved water retention and exhibited power generation characteristics under low humidification operating conditions that were equivalent to those under full humidification operating conditions.
Furthermore, under the operating condition of full humidification, the cell voltage of the membrane electrode assembly prepared in the example at a current density of 1.5 A/ cm2 exhibited a power generation characteristic that was 0.13 V higher than the cell voltage of the membrane electrode assembly prepared in the comparative example at a current density of 1.5 A/ cm2 .
From the results of the power generation characteristics of the membrane electrode assemblies prepared in the Examples and the membrane electrode assemblies prepared in the Comparative Examples, it was confirmed that the membrane electrode assemblies prepared in the Examples had high diffusibility of the reactant gas and did not inhibit the removal of water generated in the electrode reaction.
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and even if the modifications do not deviate from the gist of the present invention, they are included in the present invention.
1…高分子電解質膜
2…電極触媒層
2a…第一の電極触媒部
2b…第二の電極触媒部
3…電極触媒層
3a…第一の電極触媒部
3b…第二の電極触媒部
4…ガス拡散層
5…ガス拡散層
6…空気極(カソード)
7…燃料極(アノード)
8、8a、8b…ガス流路
9、9a、9b…冷却水流路
10、10a、10b…セパレータ
11…膜電極接合体
12…固体高分子形燃料電池
REFERENCE SIGNS
7...Fuel electrode (anode)
8, 8a, 8b...
Claims (6)
前記一対の電極触媒層のうち少なくとも一方の電極触媒層は、前記高分子電解質膜と対向する第一の電極触媒部と第二の電極触媒部とを有し、
前記第一の電極触媒部は前記ガス流路の入口側用の電極触媒部であり、前記第二の電極触媒部は前記ガス流路の出口側用の電極触媒部であって、
前記第一の電極触媒部及び前記第二の電極触媒部のそれぞれは、触媒が担持されたカーボン粒子からなる触媒担持粒子と、繊維状物質と、高分子電解質と、を含み、
前記繊維状物質は疎水性繊維状物質と親水性繊維状物質とで構成され、
前記繊維状物質に対する前記疎水性繊維状物質の質量比は、前記第二の電極触媒部の前記質量比が、前記第一の電極触媒部の前記質量比よりも大きいことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。 A membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising: a polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrode catalyst layers; and the pair of electrode catalyst layers are sandwiched from outside by a pair of separators that form a gas flow path between the electrode catalyst layers,
at least one of the pair of electrode catalyst layers has a first electrode catalyst portion and a second electrode catalyst portion facing the polymer electrolyte membrane,
the first electrode catalyst portion is an electrode catalyst portion for an inlet side of the gas flow passage, and the second electrode catalyst portion is an electrode catalyst portion for an outlet side of the gas flow passage,
each of the first electrode catalyst portion and the second electrode catalyst portion includes a catalyst-supporting particle formed of a carbon particle on which a catalyst is supported, a fibrous material, and a polymer electrolyte;
The fibrous material is composed of a hydrophobic fibrous material and a hydrophilic fibrous material,
A membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the mass ratio of the hydrophobic fibrous material to the fibrous material in the second electrode catalyst portion is greater than the mass ratio of the first electrode catalyst portion.
前記第二の電極触媒部における前記質量比は、0.55以上0.9以下の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体。 the mass ratio in the first electrode catalyst portion is within a range of 0.1 or more and 0.45 or less,
2. The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the mass ratio in the second electrode catalyst portion is within a range of 0.55 to 0.9.
前記燃料電池用膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
対向して設けられ前記燃料電池用膜電極接合体及び前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、
を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 The fuel cell membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5,
a pair of gas diffusion layers sandwiching the fuel cell membrane electrode assembly;
a pair of separators disposed opposite to each other and sandwiching the fuel cell membrane electrode assembly and the pair of gas diffusion layers;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
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