JP2005174786A - Electrode for fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質を用いた電気化学セル、特に固体高分子形燃料電池用電極およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an electrochemical cell using a solid polymer electrolyte, particularly to an electrode for a solid polymer fuel cell and a method for producing the same.
固体高分子形燃料電池(PEFC)の単セルは、膜/電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造である。この膜/電極接合体は、高分子電解質膜の一方の面にアノ−ドを、もう一方の面にカソ−ドを接合したものである。セパレータにはガス流路が加工されており、たとえば、アノ−ドに燃料として水素、カソ−ドに酸化剤として酸素を供給することによって、電力が得らえる。アノ−ドおよびカソ−ドでは、つぎのような電気化学反応が進行する。 A single cell of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a membrane / electrode assembly is sandwiched between a pair of separators. In this membrane / electrode assembly, an anode is bonded to one surface of a polymer electrolyte membrane, and a cathode is bonded to the other surface. A gas flow path is processed in the separator. For example, electric power can be obtained by supplying hydrogen as fuel to the anode and oxygen as oxidant to the cathode. In the anode and the cathode, the following electrochemical reaction proceeds.
アノ−ド:2H2→4H++4e−
カソ−ド:O2+4H++4e−→H2O
上記のような電気化学反応は、酸化剤あるいは燃料などの反応物質と、プロトン(H+)と電子(e−)とが存在する界面(以下、この界面を反応界面と呼ぶことにする)で進行する。さらに、プロトンは、数個の水和水をともなって高分子電解質膜をアノードからカソードに移動する。このために、PEFCの電極では、アノードへの水の供給とカソードからの水の排出との両立が必要である。
Anod: 2H 2 → 4H + + 4e −
Cathode: O 2 + 4H + + 4e − → H 2 O
The electrochemical reaction as described above is performed at an interface where a reactant such as an oxidant or a fuel, protons (H + ), and electrons (e − ) exist (hereinafter, this interface is referred to as a reaction interface). proceed. In addition, protons move the polymer electrolyte membrane from the anode to the cathode with several hydrated waters. For this reason, the PEFC electrode requires both the supply of water to the anode and the discharge of water from the cathode.
固体高分子形燃料電池のアノードおよびカソードには、電気化学反応を円滑に進めるために触媒金属が備えられる。この触媒金属には、反応に関与する電子、反応物および水が、導電性多孔質体を介して授受される。この導電性多孔質体は、電極とセパレータとの間に配されている。導電性多孔質体には、電子の伝導、反応物質の拡散および水の移動を円滑にするために、撥水性を付与した多孔質なカーボンペーパーなどが用いられる。 The anode and cathode of the polymer electrolyte fuel cell are provided with a catalytic metal in order to facilitate the electrochemical reaction. Electrons, reactants and water involved in the reaction are transferred to the catalytic metal via the conductive porous body. This conductive porous body is disposed between the electrode and the separator. For the conductive porous body, porous carbon paper or the like imparted with water repellency is used to facilitate the conduction of electrons, the diffusion of reactants, and the movement of water.
従来のPEFC電極は、たとえば、触媒金属を担持したカーボン粉末と高分子電解質の溶液との混合物を高分子電解質膜あるいは導電性多孔質体に塗布することによって製作される。その従来の電極では、触媒金属が反応界面以外にも存在するので、その金属の利用率が著しく低い。すなわち、その利用率は10%程度であることが、非特許文献1で報告されている。
A conventional PEFC electrode is manufactured, for example, by applying a mixture of a carbon powder carrying a catalyst metal and a polymer electrolyte solution to a polymer electrolyte membrane or a conductive porous body. In the conventional electrode, since the catalytic metal is present outside the reaction interface, the utilization factor of the metal is remarkably low. That is, Non-Patent
固体高分子形燃料電池用電極は、固体高分子電解質である陽イオン交換樹脂とカーボンと触媒金属との混合体である。その触媒金属を陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に選択的に担持した燃料電池用電極が開発され、特許文献1、特許文献2および非特許文献2で報告されている。この電極の触媒金属は、電気化学的な反応が進行する反応界面に選択的に担持されるので、その金属の利用率が従来の燃料電池用電極よりも著しく高い。
The polymer electrolyte fuel cell electrode is a mixture of a cation exchange resin, which is a solid polymer electrolyte, carbon, and a catalyst metal. A fuel cell electrode in which the catalytic metal is selectively supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface has been developed and reported in
さらに、触媒金属を陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に選択的に担持した電極の厚みを20μm以下にすることが可能であるので、触媒金属の使用量をさらに低減することができる。この電極は、単位面積あたりの触媒使用量が0.05mg/cm2以下という非常に少量であるにもかかわらず、その電極を備えるPEFCの特性は従来電極を備える場合よりも優れていた。 Furthermore, since the thickness of the electrode selectively supporting the catalytic metal on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface can be reduced to 20 μm or less, the usage amount of the catalytic metal is further reduced. be able to. Although this electrode has a very small amount of catalyst used per unit area of 0.05 mg / cm 2 or less, the characteristics of PEFC including the electrode are superior to those of the conventional electrode.
しかしながら、上述の、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に選択的に担持された燃料電池用電極の厚みが非常に薄いので、反応ガスに含まれる水分量の増減によって、その電極に含まれる陽イオン交換樹脂の含水量が著しく変化した。この含水量の変化によって、電極のプロトン伝導性あるいは電極触媒の活性が低減するので、その電極を備えた燃料電池の出力電圧が低下するという課題があった。 However, since the thickness of the fuel cell electrode in which the catalytic metal is selectively supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface is very thin, the amount of moisture contained in the reaction gas The water content of the cation exchange resin contained in the electrode was remarkably changed by the increase / decrease. Due to this change in water content, the proton conductivity of the electrode or the activity of the electrode catalyst is reduced, causing a problem that the output voltage of the fuel cell equipped with the electrode is lowered.
そこで、本発明の目的は、反応ガスに含まれる水分量の増減に起因する電極中の陽イオン交換樹脂の含水量変化を抑制することによって、電極のプロトン伝導性と電極触媒の活性とを良好な状態に保つことに加えて、その電極を備える燃料電池の特性を向上させることである。 Therefore, an object of the present invention is to improve the proton conductivity of the electrode and the activity of the electrode catalyst by suppressing the change in the water content of the cation exchange resin in the electrode due to the increase or decrease in the amount of water contained in the reaction gas. In addition to maintaining a stable state, it is to improve the characteristics of a fuel cell including the electrode.
請求項1の発明は、燃料電池用電極において、陽イオン交換樹脂と第1のカーボンと触媒金属とを含む第1層と、フッ素樹脂と第2のカーボンとからなる第2層とを備え、前記第1層に含まれる触媒金属が、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と第1のカーボンの表面との接面に担持されていることを特徴とする。
The invention of
請求項2の発明は、請求項1記載の燃料電池用電極の製造方法において、陽イオン交換樹脂と第1のカーボンとを含む層を形成する第一の工程と、前記陽イオン交換樹脂の対イオンに触媒金属の陽イオンを吸着させる第二の工程と、前記触媒金属の陽イオンを化学的に還元する第三の工程とを経て第1層を形成したのちに、フッ素樹脂と第2のカーボンとからなる第2層を形成する第四の工程と、前記第1層と前記第2層とを一体にする第五の工程とを経ることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing an electrode for a fuel cell according to the first aspect, wherein a first step of forming a layer containing a cation exchange resin and a first carbon, and the pair of the cation exchange resin After forming the first layer through the second step of adsorbing the cation of the catalytic metal on the ions and the third step of chemically reducing the cation of the catalytic metal, the fluororesin and the second A fourth step of forming a second layer made of carbon and a fifth step of integrating the first layer and the second layer are characterized.
本発明の燃料電池用電極を備える燃料電池の特性は、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に触媒金属が選択的に担持された第1層のみを電極として備える燃料電池よりも優れることが研究の結果から明らかになった。 The fuel cell comprising the fuel cell electrode of the present invention is characterized in that the fuel comprises only the first layer in which the catalytic metal is selectively supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. Research results show that it is superior to batteries.
本発明の燃料電池用電極は、陽イオン交換樹脂と第1のカーボンと触媒金属とを含み、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に担持された第1層と、フッ素樹脂と第2のカーボンとからなり、適度な有孔性と撥水性とを有する導電性の第2層を備える。この導電性の第2層では、その孔に適量の水分を保持することができることに加えて、適度な撥水性を備えることによって、その孔が水の滞留によって閉塞されることがない。したがって、その層は、電極の乾燥を抑制しつつ、反応ガスの円滑な供給を保つことができるのである。 The electrode for a fuel cell of the present invention includes a cation exchange resin, a first carbon, and a catalyst metal, and the catalyst metal is supported on a contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. And a conductive second layer comprising a fluororesin and second carbon and having appropriate porosity and water repellency. In this conductive second layer, in addition to being able to hold an appropriate amount of moisture in the pores, the pores are not clogged by the retention of water by providing appropriate water repellency. Therefore, the layer can keep a smooth supply of the reaction gas while suppressing the drying of the electrode.
さらに、第2層によって、電極表面に反応ガスが、直接、接触することを防止できるので、乾燥した反応ガスが供給された場合でも、電極の過度な乾燥を抑制することができる。つまり、この第2層は、電極の含水量を一定に保持する機能を有する。したがって、含水量が一定に保たれた電極では、高いプロトン伝導性が保たれるので、電極内部に三次元的に広がる反応界面の電気化学的な反応に対する活性が高い状態を維持することが可能になり、カソードガスの含水量が低い場合でも、高いセル電圧を維持することが可能になった。 Furthermore, since the reactive gas can be prevented from coming into direct contact with the electrode surface by the second layer, excessive drying of the electrode can be suppressed even when a dry reactive gas is supplied. That is, the second layer has a function of keeping the water content of the electrode constant. Therefore, an electrode with a constant water content maintains high proton conductivity, so it is possible to maintain a high activity for electrochemical reaction at the reaction interface that extends three-dimensionally inside the electrode. Thus, even when the water content of the cathode gas is low, a high cell voltage can be maintained.
本発明の燃料電池用電極は、陽イオン交換樹脂と第1のカーボンと触媒金属とを含む第1層と、フッ素樹脂と第2のカーボンとからなる第2層とを備え、前記第1層に含まれる触媒金属が、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に担持されており、第1層と第2層とを一体にしたものである。 An electrode for a fuel cell of the present invention includes a first layer containing a cation exchange resin, a first carbon, and a catalyst metal, and a second layer made of a fluororesin and a second carbon, and the first layer The catalyst metal contained in is carried on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface, and the first layer and the second layer are integrated.
本発明の燃料電池用電極の模式図を図1に示す。図1において、11は本発明の燃料電池用電極、12は第1層、13は第2層である。本発明の燃料電池用電極11は、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と第1のカーボンの表面との接面に担持された第1層12と、フッ素樹脂と第2のカーボンとからなり、撥水性と有孔性とを備える導電性の第2層13とで構成される。
A schematic view of the fuel cell electrode of the present invention is shown in FIG. In FIG. 1, 11 is a fuel cell electrode of the present invention, 12 is a first layer, and 13 is a second layer. The electrode 11 for a fuel cell according to the present invention includes a
本発明の燃料電池用電極11が高分子電解質膜の少なくとも一方の面に備えられることによって、燃料電池は構成される。その燃料電池の断面を模式的に図2に示す。図2において、記号12、13は図1と同じものを示し、14は高分子電解質膜、15は導電性多孔質体、16はガス供給路、17はセパレータ、18はシール材、19は燃料電池である。
The fuel cell is configured by providing the fuel cell electrode 11 of the present invention on at least one surface of the polymer electrolyte membrane. A cross section of the fuel cell is schematically shown in FIG. In FIG. 2,
本発明の燃料電池用電極の触媒金属が担持された第1層12が、高分子電解質膜14のそれぞれの面に接触するように配置される。燃料電池用電極の他方の面(第2層)には、撥水性を付与した導電性多孔質体15の一面が接触するように配置される。さらに、その導電性多孔質体15の他面には、ガス供給路16を備えるセパレータ17が接触するように配置される。図2に示すように、燃料電池19は、第1層12と第2層13とからなる一対の電極と、一対の導電性多孔質体15と、一対のセパレータ17とで高分子電解質膜14を挟持することによって構成される。それらのセパレータ間には、ガスケットやOリングなどのシール材18が配されることによって、反応ガスの気密が保たれる。
The
上述の、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と第1のカーボンの表面との接面に担持された第1層12の内部構造の模式図を図3に示す。図3において、記号12と14は図2と同じものを示し、31は第1のカーボン、32は陽イオン交換樹脂、33は細孔である。第一の層12は、第1のカーボン31と陽イオン交換樹脂32とを含有する。陽イオン交換樹脂32には、たとえばパーフルオロスルホン酸樹脂あるいはスチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸樹脂などを用いることができる。図3に示すように、第1のカーボン31と陽イオン交換樹脂32とが混ざり合うことによって、第1のカーボン3
1と陽イオン交換樹脂32とが三次元的に分布する。第1のカーボン31の表面には、図示していないが触媒金属の微細粒子が担持されている。さらに、それらの混合物には、複数の細孔33が形成される。この第1層12では、第1のカーボン31、陽イオン交換樹脂32および細孔33が、それぞれ電子の伝導経路、プロトンの伝導経路および反応物と水との移動経路を形成する。これらの3つ経路が、第1層12に三次元的に形成されるので、反応物、プロトン(H+)および電子(e−)とが存在する反応界面が増大する。燃料電池用電極においては、第1層12が高分子電解質膜14に接合される。
FIG. 3 shows a schematic diagram of the internal structure of the
1 and the
前述した第1層12の触媒金属は、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に担持されている。第1のカーボンの表面近傍を模式的に図4に示す。図4において、記号31、32は図3と同じものを示し、41は親水性領域(プロトン伝導経路)、42は疎水性領域、43は触媒金属である。
The catalyst metal of the
第1層において、第1のカーボン31の表面は、陽イオン交換樹脂32によって被覆されている。その陽イオン交換樹脂32は、親水性領域(プロトン伝導経路)41と疎水性領域42とから構成される。その親水性領域(プロトン伝導経路)41とカーボン31の表面との接面に触媒金属43が担持されている。
In the first layer, the surface of the
ところで、パーフルオロスルホン酸樹脂などの陽イオン交換樹脂は、H.L.Yeager等(J.Electrochem.Soc.,128、1880、(1981))および小久見等(J.Electrochem.Soc.,132,2601(1985))の報告に記載されているように、主鎖が集合した疎水性領域と側鎖が集合した親水性領域とにミクロ相分離した構造であることが知られている。その疎水性領域は、ポリテトラフルオロエチレンに類似の構造であるので、反応物および水の透過は著しく少ない。一方、その親水性領域では、側鎖の先端に結合しているイオン交換基がクラスターを形成しており、そのクラスターに水が取り込まれることによって、対イオンが移動可能な状態になる。つまり、水、プロトンおよび反応物(水素または酸素)は、親水性領域を移動することができる。 By the way, cation exchange resins such as perfluorosulfonic acid resin are H.264. L. As described in the report of Yeager et al. (J. Electrochem. Soc., 128, 1880, (1981)) and Kokumi et al. (J. Electrochem. Soc., 132, 2601 (1985)), the main chain is assembled. It is known that the structure is microphase-separated into a hydrophobic region and a hydrophilic region in which side chains are assembled. Since the hydrophobic region is a structure similar to polytetrafluoroethylene, there is significantly less permeation of reactants and water. On the other hand, in the hydrophilic region, the ion exchange group bonded to the tip of the side chain forms a cluster, and when water is taken into the cluster, the counter ion becomes movable. That is, water, protons and reactants (hydrogen or oxygen) can move through the hydrophilic region.
したがって、陽イオン交換樹脂32のプロトン伝導経路41とカーボン31の表面との接面に担持された触媒金属43は反応界面を形成することができるので、電気化学的な反応に対して活性である。逆に、陽イオン交換樹脂32の疎水性領域42とカーボン31の表面に存在する触媒金属は反応物およびプロトンの供給がおこらないので、電気化学的な反応に対して活性である。逆に、陽イオン交換樹脂32の疎水性領域42と第1のカーボン31の表面に存在する触媒金属は反応物およびプロトンの供給がおこらないので、電気化学的な反応に対して不活性である。
Therefore, since the
本発明による燃料電池用電極に備わる導電性の第2層13は、フッ素樹脂と第2のカーボンとからなる。第2層13の内部構造を模式的に図5に示す。図5において、記号12、13は図1と同じものを示し、51は第2のカーボン、52はフッ素樹脂、53は空隙である。
The conductive
第2層13に含まれる混合物では、第2のカーボン51がフッ素樹脂52によって結着されている。この第2のカーボン51の集合物間に空隙53が形成されている。第2のカーボン51には、電子伝導性が高いカーボンブラックやアセチレンブラックなどの粉末、あるいは電子伝導性のカーボン繊維などを用いることができる。
In the mixture contained in the
一方、フッ素樹脂52は、化学的に安定性が高いので燃料電池の電極近傍での使用に適している。その樹脂は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレンを使用することが好ましい。あるいは、ポリヘキサフロロプロピレンイレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレンとヘキサフロロプロピレンイレンとの共重合体、さらに、前述のフッ素樹脂の混合物を用いることができる。さらに、空隙53の大きさや占有率は、造孔剤などを用いる方法などによって制御することができる。
On the other hand, since the fluororesin 52 is chemically stable, it is suitable for use in the vicinity of the electrode of the fuel cell. For example, polytetrafluoroethylene is preferably used as the resin. Alternatively, polyhexafluoropropyleneylene, polyvinylidene fluoride, a copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropyleneylene, and a mixture of the aforementioned fluororesins can be used. Further, the size and occupancy ratio of the
本発明の燃料電池用電極を備える固体高分子形燃料電池の高分子電解質膜には、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂あるいはスチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸樹脂などの陽イオン交換樹脂を用いることができる。さらに、固体高分子形燃料電池の導電性多孔質体には、カーボンペーパーあるいはカーボンフェルトなど電子伝導性があり、かつ多孔性の電極支持層を用いることができる。 A cation exchange resin such as perfluorosulfonic acid resin or styrene-divinylbenzenesulfonic acid resin can be used for the polymer electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell having the fuel cell electrode of the present invention. Furthermore, the conductive porous body of the polymer electrolyte fuel cell may be an electron conductive material such as carbon paper or carbon felt, and a porous electrode support layer may be used.
本発明の燃料電池用電極は、陽イオン交換樹脂と第1のカーボンとを含む混合体を調製したのちに、その混合体を含む層を形成する第一の工程と、この層が含む陽イオン交換樹脂の対イオンに、触媒金属の陽イオンを吸着させる第二の工程と、その触媒金属の陽イオンを化学的に還元する第三の工程とを経ることにより、触媒金属を陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン粒子表面との接面に担持したものを含む第1層を形成し、フッ素樹脂と第2のカーボンとを含む混合体を調製したのちに、この混合体からなる第2層を形成する第四の工程と、第1層と第2層とを一体にする第五の工程とを経て製作される。 The electrode for a fuel cell of the present invention comprises a first step of preparing a mixture containing a cation exchange resin and first carbon and then forming a layer containing the mixture, and a cation contained in the layer. The catalyst metal is converted into a cation exchange resin through a second step of adsorbing the cation of the catalyst metal on the counter ion of the exchange resin and a third step of chemically reducing the cation of the catalyst metal. After forming a first layer including the one supported on the contact surface between the proton conduction path and the carbon particle surface and preparing a mixture containing the fluororesin and the second carbon, a second layer comprising this mixture is prepared. It is manufactured through a fourth step of forming a layer and a fifth step of integrating the first layer and the second layer.
前述の第一の工程では、たとえば、陽イオン交換樹脂の溶液にカーボンブラックなどの炭素の粉末を加えたのちに混合することによって、ペースト状の分散物を調製する。その分散物を基材に塗布したのちに乾燥することによって、陽イオン交換樹脂とカーボンを含むシート状の混合体を作製する。 In the first step described above, for example, a paste-like dispersion is prepared by adding a carbon powder such as carbon black to a solution of a cation exchange resin and then mixing them. The dispersion is applied to a substrate and then dried to prepare a sheet-like mixture containing a cation exchange resin and carbon.
陽イオン交換樹脂としては、たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸型またはスチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸型陽イオン交換樹脂を用いることができる。陽イオン交換樹脂を含む溶液の溶媒には、水とアルコールとを任意の割合で混合したものを用いることができる。分散物の粘度は、陽イオン交換樹脂の溶媒量に応じて変化する。したがって、陽イオン交換樹脂の濃度を選択することによって、種々の粘度を有する分散物を調製することができる。たとえば、陽イオン交換樹脂の濃度が高い場合には、その分散物の粘度が高くなる。さらに、粘度が低い分散物から溶媒を除去することによって、その粘度を増大することができる。その分散物を塗布する基材には、高分子シートあるいは金属箔などを用いることができる。 As the cation exchange resin, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid type or a styrene-divinylbenzene sulfonic acid type cation exchange resin can be used. What mixed water and alcohol in arbitrary ratios can be used for the solvent of the solution containing a cation exchange resin. The viscosity of the dispersion varies depending on the amount of solvent in the cation exchange resin. Accordingly, dispersions having various viscosities can be prepared by selecting the concentration of the cation exchange resin. For example, when the concentration of the cation exchange resin is high, the viscosity of the dispersion increases. Furthermore, the viscosity can be increased by removing the solvent from the low viscosity dispersion. A polymer sheet, a metal foil, or the like can be used as a substrate on which the dispersion is applied.
第二の工程では、触媒金属の陽イオンが含まれる化合物を水またはアルコールを含む水に溶解した溶液を調製する。その溶液は、触媒金属の陽イオンを含有する。つぎに、その溶液に、第一の工程で製作したシート状の混合体を浸漬することによって、そのシートに含まれる陽イオン交換樹脂に、触媒金属となる金属元素の陽イオンを吸着させる。この吸着は、その陽イオン交換樹脂の対イオンと、その陽イオンとのイオン交換反応によるものである。そのとき、イオン交換させる陽イオンを二種類以上用いることによって、混合体に二種類以上の触媒金属の陽イオンを吸着することができる。 In the second step, a solution is prepared by dissolving a compound containing a catalyst metal cation in water or water containing an alcohol. The solution contains a catalytic metal cation. Next, the cation of the metal element which becomes a catalyst metal is adsorbed to the cation exchange resin contained in the sheet by immersing the sheet-like mixture produced in the first step in the solution. This adsorption is due to an ion exchange reaction between the counter ion of the cation exchange resin and the cation. At that time, by using two or more types of cations to be ion-exchanged, two or more types of catalytic metal cations can be adsorbed to the mixture.
陽イオンは、陽イオン交換樹脂が被覆されずに露出しているカーボン表面には吸着し難く、陽イオン交換樹脂の対イオンとのイオン交換反応により陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に優先的に吸着するものが好ましい。そのような吸着特性を持つ白金族金属を含む陽イオンとして、白金族金属の錯イオン、とくに[Pt(NH3)4]2+や[Pt(NH3)6]4+などとあらわすことができる白金のアンミン錯イオン、または[Ru(NH3)6]2+や[Ru(NH3)6]3+が好ましい。さらに、アンミン錯体の他にも、硝酸基あるいはニトロソ基を配位した白金族金属の錯イオンを用いることができる。 Cations are difficult to adsorb on the exposed carbon surface without being coated with the cation exchange resin, and are preferentially placed on the proton conduction path of the cation exchange resin by an ion exchange reaction with the counter ion of the cation exchange resin. What adsorbs is preferred. As a cation containing a platinum group metal having such an adsorption characteristic, platinum that can be expressed as a complex ion of a platinum group metal, particularly [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ or [Pt (NH 3 ) 6 ] 4+ Or [Ru (NH 3 ) 6 ] 2+ or [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ is preferable. In addition to the ammine complex, a platinum group metal complex ion coordinated with a nitrate group or a nitroso group can be used.
第三の工程では、第二の工程で得られたシート状混合体に含まれる陽イオンを化学的に還元する。この第三の工程は、量産に適した還元剤を用いる化学的な還元方法を用いることが好ましく、とくに、水素ガスまたは水素を含むガスによって気相還元する方法またはヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法が好ましい。ここで、水素ガスを含むガスとは、水素ガスと窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスとの混合ガスであることが好ましく、水素ガスを10vol%以上含むことが好ましい。 In the third step, the cation contained in the sheet-like mixture obtained in the second step is chemically reduced. In this third step, it is preferable to use a chemical reduction method using a reducing agent suitable for mass production. In particular, a gas phase reduction method using hydrogen gas or a gas containing hydrogen or an inert gas containing hydrazine is used. A method of phase reduction is preferred. Here, the gas containing hydrogen gas is preferably a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas such as nitrogen, helium, or argon, and preferably contains 10 vol% or more of hydrogen gas.
この第三の工程において、カーボンが白金族金属の陽イオンの還元反応に対して触媒としての活性を有するので、200℃以下の温度でも、陽イオン交換樹脂に含まれるその陽イオンを還元することができる。たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸型陽イオン交換樹脂膜中に吸着した白金アンミン錯イオン[Pt(NH3)4]2+の水素による還元温度は約300℃で(境 哲男、大阪工業技術試験所季報、36、10(1985))あるが、交換基を修飾したカーボン粒子(Denka Black、Vulcan XC−72、Black Peal 2000等)の表面に吸着した[Pt(NH3)4]2+のそれは、180℃であることが報告されている(K.Amine、M.Mizuhata、K.Oguro、H.Takenaka、J.Chem.Soc.Faraday Trans.、91、4451(1995))。この活性によって、カーボンの表面近傍の陽イオンが優先的に触媒金属まで還元されて、そのカーボンの表面に触媒金属が生成する。その触媒金属は、陽イオンの還元反応に対して触媒としての活性を有するので、陽イオン交換樹脂中の陽イオンが次々に触媒金属まで還元される。この第三の工程では、還元剤の種類、還元剤濃度、還元圧力、還元時間、還元温度を適時調整することによって、カーボンの表面に生成する触媒金属の粒径や表面性状を制御することができる。 In this third step, since carbon has activity as a catalyst for the reduction reaction of the cation of the platinum group metal, the cation contained in the cation exchange resin can be reduced even at a temperature of 200 ° C. or lower. Can do. For example, the reduction temperature of platinum ammine complex ion [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed in a perfluorocarbon sulfonic acid type cation exchange resin membrane with hydrogen is about 300 ° C. (Tetsuo Sakai, Osaka Industrial Technology Laboratory quarterly report, 36, 10 (1985)), but that of [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed on the surface of carbon particles (Denka Black, Vulcan XC-72, Black Peal 2000, etc.) modified with an exchange group is 180 ° C. (K. Amine, M. Mizuhata, K. Oguro, H. Takenaka, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 91, 4451 (1995)). Due to this activity, cations near the surface of the carbon are preferentially reduced to the catalytic metal, and a catalytic metal is generated on the surface of the carbon. Since the catalytic metal has a catalytic activity for the cation reduction reaction, the cations in the cation exchange resin are successively reduced to the catalytic metal. In this third step, the particle size and surface properties of the catalytic metal produced on the carbon surface can be controlled by adjusting the type of reducing agent, reducing agent concentration, reducing pressure, reducing time, and reducing temperature in a timely manner. it can.
前述の第一から第三の工程の一例をつぎに説明する。まず、カーボンとしてVulcan XC−72と陽イオン交換樹脂溶液としてNafion溶液とから分散物を調製したのちに、その分散物を高分子シートに塗布および乾燥することによってシート状の混合体を製作する。 An example of the first to third steps will be described below. First, after preparing a dispersion from Vulcan XC-72 as carbon and a Nafion solution as a cation exchange resin solution, the dispersion is applied to a polymer sheet and dried to produce a sheet-like mixture.
つづいて、触媒金属の陽イオンを含む化合物として[Pt(NH3)4]Cl2の水溶液を調製したのちに、その溶液に混合体を浸漬する。この溶液によって、その錯イオンと陽イオン交換樹脂の対イオン(H+)とがイオン交換反応するので、[Pt(NH3)4]2+が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に吸着する。つづいて、その混合体を180℃の水素ガス雰囲気中で6時間還元することによって、触媒金属としての白金を陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に選択的に形成する。この作製方法では、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン粒子との接面に担持された触媒金属量が全触媒金属担持量の80wt%を越える燃料電池用電極の製造が可能となる。
前述の第四の工程では、たとえば、フッ素樹脂とカーボンブラックなどの炭素の粉末とを分散媒に加えたのちに混合することによって、ペースト状の分散物を調製する。その分散物を基材に塗布したのちに乾燥および焼成することによって、フッ素樹脂とカーボンを含むシート状の混合体を作製する。その樹脂には、ポリテトラフルオロエチレンを使用することが好ましいが、ポリヘキサフロロプロピレンイレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレンとヘキサフロロプロピレンイレンとの共重合体、さらに、前述のフッ素樹脂の混合物を用いることができる。その樹脂の粉末あるいはディスパージョンを用いることができる。分散媒には、少量の界面活性剤を添加した水を用いることができる。さらにフッ素樹脂、カーボンおよび分散媒の混合物に、増粘剤を添加することによって、塗布性に優れるペースト状の混合物が得られる。その増粘剤としては、たとえば、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース系の化合物を用いることができる。その混合物を350℃以上の温度で焼成することによって、増粘剤あるいは界面活性剤を除去することができる。それらの除去によって、導電性の層に空隙が形成される。
Subsequently, after preparing an aqueous solution of [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 as a compound containing a catalyst metal cation, the mixture is immersed in the solution. By this solution, the complex ion and the counter ion (H + ) of the cation exchange resin undergo an ion exchange reaction, so that [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ is adsorbed on the proton conduction path of the cation exchange resin. Subsequently, the mixture is reduced in a hydrogen gas atmosphere at 180 ° C. for 6 hours to selectively form platinum as a catalyst metal on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. . This production method makes it possible to produce a fuel cell electrode in which the amount of catalyst metal supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon particles exceeds 80 wt% of the total amount of catalyst metal supported.
In the fourth step described above, for example, a fluororesin and a carbon powder such as carbon black are added to a dispersion medium and then mixed to prepare a paste-like dispersion. The dispersion is applied to a substrate and then dried and fired to prepare a sheet-like mixture containing a fluororesin and carbon. Polytetrafluoroethylene is preferably used as the resin, but polyhexafluoropropylene ylene, polyvinylidene fluoride, a copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene ylene, and a mixture of the aforementioned fluororesins. Can be used. The resin powder or dispersion can be used. As the dispersion medium, water to which a small amount of a surfactant is added can be used. Further, by adding a thickener to the mixture of fluororesin, carbon and dispersion medium, a paste-like mixture having excellent coatability can be obtained. As the thickener, for example, a cellulose compound such as carboxymethylcellulose can be used. By baking the mixture at a temperature of 350 ° C. or higher, the thickener or surfactant can be removed. By removing them, voids are formed in the conductive layer.
前述の第五の工程では、たとえば、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と第1のカーボンの表面との接面に触媒金属が選択的に担持された第1層を接合したのちに、この第1層に、フッ素樹脂と第2のカーボンとの混合物からなる導電性の第2層を接合することによって、第1層と第2層とからなる、本発明の燃料電池用電極が高分子電解質膜に形成される。 In the fifth step described above, for example, the catalytic metal is selectively supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the first carbon on at least one surface of the polymer electrolyte membrane. After joining the first layer, the first layer is composed of the first layer and the second layer by joining a conductive second layer made of a mixture of fluororesin and second carbon to the first layer. The fuel cell electrode of the present invention is formed on a polymer electrolyte membrane.
高分子電解質膜には、たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、スチレン-ビニルベンゼンスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂、スチレン-ビニルベンゼンカルボン酸樹脂などのプロトン伝導性の陽イオン交換樹脂を用いることができるが、化学的な安定性とプロトン伝導性とが高いパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂からなるものを用いることが好ましい。たとえば、その高分子電解質膜として、デュポン社製のナフィオン膜を用いることができる。 For the polymer electrolyte membrane, for example, a proton conductive cation exchange resin such as perfluorocarbon sulfonic acid resin, styrene-vinylbenzene sulfonic acid resin, perfluorocarbon carboxylic acid resin, styrene-vinyl benzene carboxylic acid resin may be used. However, it is preferable to use a perfluorocarbon sulfonic acid resin having high chemical stability and high proton conductivity. For example, a DuPont Nafion membrane can be used as the polymer electrolyte membrane.
この工程での接合は、加熱圧着することによりおこなうことができる。その加熱温度は、陽イオン交換樹脂のガラス転移温度に近い125℃から135℃であることがこの好ましいが、水の凍結がはじまる0℃以上であれば、本発明の燃料電池用電極と高分子電解質膜とを接合することができる。その加熱圧着には、平プレス機あるいはロールプレス機を用いることができる。 Joining in this step can be performed by thermocompression bonding. The heating temperature is preferably 125 ° C. to 135 ° C., which is close to the glass transition temperature of the cation exchange resin. However, if the heating temperature is 0 ° C. or higher where freezing of water starts, the fuel cell electrode and polymer of the present invention can be used. The electrolyte membrane can be joined. A flat press or a roll press can be used for the thermocompression bonding.
さらに、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路と第1のカーボンの表面との接面に触媒金属が担持されたものを含む第1層に、フッ素樹脂と第2のカーボンとからなる導電性の第2層を接合することによって、第1層と第2層とからなる、本発明の燃料電池用電極を製作することができる。 Further, the first layer including a catalyst metal supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the surface of the first carbon has a conductive first layer made of the fluororesin and the second carbon. By joining the two layers, the fuel cell electrode of the present invention comprising the first layer and the second layer can be produced.
本発明の燃料電池用電極を備える燃料電池の特性は、従来の電極を備える場合よりも優れることが研究の結果から明らかになった。従来の電極は、たとえば、触媒としての白金が担持されたカーボンと陽イオン交換樹脂との混合物を調製したのちに、その混合物を高分子シートに塗布・乾燥したものを高分子電解質膜に接合することによって製作される。しかしながら、従来の電極では、白金の利用率が低いので、多量の白金が必要になる。 From the research results, it has been clarified that the characteristics of the fuel cell including the fuel cell electrode of the present invention are superior to those of the conventional case including the electrode. For example, a conventional electrode is prepared by preparing a mixture of carbon supporting a platinum as a catalyst and a cation exchange resin, and then applying the mixture to a polymer sheet and drying it, and then joining the polymer electrolyte membrane. It is manufactured by. However, since the utilization rate of platinum is low in the conventional electrode, a large amount of platinum is required.
白金の利用率低下の理由をつぎに説明する。従来の電極における、陽イオン交換樹脂と触媒金属を担持したカーボンの表面との界面の模式図を図6に示す。図6において、31は第1のカーボン、32は陽イオン交換樹脂、41は親水性領域(プロトン伝導経路)、42は疎水性領域、43および61は触媒金属、62は触媒金属粒子が存在しない領域である。 The reason for the decrease in platinum utilization will be described next. FIG. 6 shows a schematic diagram of the interface between the cation exchange resin and the surface of carbon carrying the catalyst metal in the conventional electrode. In FIG. 6, 31 is the first carbon, 32 is a cation exchange resin, 41 is a hydrophilic region (proton conduction path), 42 is a hydrophobic region, 43 and 61 are catalytic metals, and 62 is no catalytic metal particles. It is an area.
図6において、第1のカーボン31の表面は、陽イオン交換樹脂32によって被覆されている。その陽イオン交換樹脂32は、親水性領域(プロトン伝導経路)41と疎水性領域42とから構成される。第1のカーボン31の表面と陽イオン交換樹脂32との界面には、触媒金属43と61とがランダムに担持されている。
In FIG. 6, the surface of the
触媒金属粒子43は、第1のカーボン31の表面と親水性領域(プロトン伝導経路)41との接面に存在するので、電気化学反応に対して活性である。一方、触媒金属61は、第1のカーボン31の表面と疎水性領域42との接面に存在するので、電気化学反応に対して不活性である。したがって、触媒金属61が存在する従来の電極は、触媒金属の利用率が低いものである。
Since the
さらに、従来の電極では、第1のカーボン31の表面と親水性領域(プロトン伝導経路)41との界面に触媒金属が存在しない領域62が部分的に形成される。この領域62には反応界面が形成されないので、この領域62が存在することによって、従来の電極の電気化学的な活性が低下するのである。
Further, in the conventional electrode, a region 62 where no catalytic metal exists is partially formed at the interface between the surface of the
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。 The present invention will be described below with reference to preferred embodiments.
[実施例1]
本発明の燃料電池用電極を以下の方法で製作した。まず、陽イオン交換樹脂の溶液(アルドリッチ社製、ナフィオン5mass%溶液)80gを容器に採取した。その溶液に、第1のカーボンとしてVulcan XC−72(キャボット社社製)を6g添加したのちに、羽式攪拌器を用いて超音波を照射しながら1時間攪拌することによって分散物を調製した。つぎに、その容器を50℃の恒温水槽に設置したのちに、その分散物を羽式攪拌器で分散物を攪拌した。このとき、分散物の溶媒が蒸発するので、その分散物は濃縮される。この濃縮によって、分散物の重量に対する固形分重量(カーボンと陽イオン交換樹脂の固形分との和)を14%に調整した。
[Example 1]
The fuel cell electrode of the present invention was manufactured by the following method. First, 80 g of a cation exchange resin solution (manufactured by Aldrich,
つづいて、隙間が200μmのアプリケータを用いて、その分散物を高分子(FEP)フィルムに塗布したのちに、室温で乾燥することによって、シート状の混合体を作製した。その混合体の厚みは約20μmであった。 Subsequently, the dispersion was applied to a polymer (FEP) film using an applicator having a gap of 200 μm, and then dried at room temperature to prepare a sheet-like mixture. The thickness of the mixture was about 20 μm.
一方で、50mmol/l濃度の[Pt(NH3)4]Cl2水溶液を調製した。その水溶液にシート状の混合体を6時間以上浸漬することによって、その混合体中の陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路に[Pt(NH3)4]2+を吸着させた。そのあと、そのシート状の混合体を脱イオン水で充分洗浄したのちに、十分に乾燥した。 Meanwhile, an aqueous solution of [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 having a concentration of 50 mmol / l was prepared. [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ was adsorbed on the proton conduction path of the cation exchange resin in the mixture by immersing the sheet-like mixture in the aqueous solution for 6 hours or more. Thereafter, the sheet-like mixture was sufficiently washed with deionized water and then sufficiently dried.
つづいて、その混合体を還元器に設置したのちに、1気圧の水素を充填した。その還元器を180℃に昇温した状態で12時間保持した。そのあと、還元器から取り出した混合体を0.5mol/lの硫酸に1時間浸漬することによって還元工程で還元されなかった[Pt(NH3)4]2+を溶出したのちに、その混合体を脱イオン水で十分に洗浄することによって、陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボンの表面との接面に触媒金属が担持された第1層を得た。最後に、その第1層を5cm×5cmの大きさに裁断した。この選択的に触媒金属が担持された第1層には、触媒金属としての白金が、0.05mg/cm2担持されていた。 Subsequently, after the mixture was placed in a reducer, it was charged with 1 atmosphere of hydrogen. The reducer was maintained at 180 ° C. for 12 hours. Thereafter, the mixture taken out from the reducer was immersed in 0.5 mol / l sulfuric acid for 1 hour to elute the [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ that was not reduced in the reduction step, and then the mixture Was sufficiently washed with deionized water to obtain a first layer in which a catalytic metal was supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. Finally, the first layer was cut into a size of 5 cm × 5 cm. On the first layer on which the catalyst metal was selectively supported, 0.05 mg / cm 2 of platinum as the catalyst metal was supported.
つぎに、本発明の燃料電池用電極を構成する導電性の第2層を以下の方法で製作した。第2のカーボンとして8gのVulcan XC−72(キャボット社製)と増粘剤として3gのカルボキシメチルセルロース(ダイセル化学工業株式会社社製)とをブレンダーを用いて混合した。その混合物に脱イオン水140gを加えたのちに、ニ軸回転式攪拌装置を用いて5分間攪拌した。つぎに、羽式攪拌器で攪拌しながら、その混合物にポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン(固形分60mass%)3gを徐々に添加したのちに、5分間攪拌した。つづいて、隙間が250μmのアプリケータを用いて、その混合物をアルミ箔に塗布したのちに、室温で乾燥した。さらに、窒素雰囲気炉を用いて、その塗布物を380℃で30分間焼成することによって、厚みが25μmである本発明の燃料電池用電極を構成する導電性の第2層を得た。最後に、その導電性の第2層を5cm×5cmの大きさに裁断した。 Next, the electroconductive 2nd layer which comprises the electrode for fuel cells of this invention was manufactured with the following method. 8 g of Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot) as the second carbon and 3 g of carboxymethyl cellulose (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.) as the thickener were mixed using a blender. After adding 140 g of deionized water to the mixture, the mixture was stirred for 5 minutes using a biaxial rotating stirrer. Next, 3 g of polytetrafluoroethylene dispersion (solid content: 60 mass%) was gradually added to the mixture while stirring with a wing stirrer, and then stirred for 5 minutes. Subsequently, the mixture was applied to an aluminum foil using an applicator with a gap of 250 μm, and then dried at room temperature. Furthermore, the electroconductive 2nd layer which comprises the electrode for fuel cells of this invention which is 25 micrometers in thickness was obtained by baking the coating material for 30 minutes at 380 degreeC using a nitrogen atmosphere furnace. Finally, the conductive second layer was cut into a size of 5 cm × 5 cm.
つぎに、高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン115膜、膜厚約120μm)を0.5mol/lの硫酸で1時間煮沸したのちに、高分子電解質膜に脱イオン水で5回の洗浄および1時間煮沸を施した。つづいて、高分子電解質膜の両面に、上述の方法で製作した触媒金属が担持された第1層を配したのちに加熱圧着(135℃、50kg/cm2)することによって、高分子電解質膜と第1層とを一体に接合した。そのあと、接合体の第1層から高分子(FEP)フィルムを剥がし取った。 Next, after boiling the polymer electrolyte membrane (DuPont Nafion 115 membrane, film thickness of about 120 μm) with 0.5 mol / l sulfuric acid for 1 hour, the polymer electrolyte membrane is washed with deionized water five times. And boiled for 1 hour. Subsequently, after placing the first layer carrying the catalyst metal produced by the above-described method on both sides of the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane is subjected to thermocompression bonding (135 ° C., 50 kg / cm 2 ). And the first layer were joined together. Thereafter, the polymer (FEP) film was peeled off from the first layer of the joined body.
さらに、第1層のそれぞれの面に、導電性の第2層を配したのちに、加熱圧着(100℃、50kg/cm2)することによって、高分子電解質膜に接合された第1層と導電性の第2層と一体に接合した。そのあと、接合体の第2層からアルミ箔を剥がし取った。このようにして、本発明の燃料電池用電極を備える膜/電極接合体を製作した。 Furthermore, after disposing a conductive second layer on each surface of the first layer, the first layer joined to the polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding (100 ° C., 50 kg / cm 2 ) The conductive second layer was integrally bonded. Thereafter, the aluminum foil was peeled off from the second layer of the joined body. In this way, a membrane / electrode assembly provided with the fuel cell electrode of the present invention was produced.
最後に、その膜/電極接合体のそれぞれの面に、撥水性を付与した導電性多孔質体のカーボンペーパーを配したのちに一対のセパレータで挟持することによって、本発明の燃料電池用電極を備える燃料電池(以後、この燃料電池を本発明の燃料電池と呼ぶことにする)を製作した。 Finally, a conductive porous carbon paper imparted with water repellency is disposed on each surface of the membrane / electrode assembly, and then sandwiched by a pair of separators, thereby allowing the fuel cell electrode of the present invention to A fuel cell provided (hereinafter, this fuel cell will be referred to as the fuel cell of the present invention) was manufactured.
[比較例1]
比較のために従来の電極を備える燃料電池をつぎに示す方法で製作した。まず、陽イオン交換樹脂の溶液(アルドリッチ社製、ナフィオン5mass%溶液)80gを容器に採取した。その溶液に、白金が50mass%担持されたカーボン触媒(田中貴金属工業製、TEC10V50E)を14g添加したのちに、羽式攪拌器を用いて超音波を照射しながら1時間攪拌することによって分散物を調製した。つぎに、その容器を50℃の恒温水槽に設置したのちに、羽式攪拌器でさらに分散物を攪拌した。このとき、分散物の溶媒が蒸発するので、その分散物は濃縮される。この濃縮によって、分散物の重量に対する固形分重量(カーボンと陽イオン交換樹脂の固形分との和)を14%に調整した。つづいて、隙間が200μmのアプリケータを用いて、その分散物を高分子(FEP)フィルムに塗布したのちに、室温で乾燥することによって、従来の電極を作製した。最後に、その電極を5cm×5cmの大きさに裁断した。得られた従来の電極の厚みは約20μmであり、白金の担持量は0.5mg/cm2であった。
[Comparative Example 1]
For comparison, a fuel cell having a conventional electrode was manufactured by the following method. First, 80 g of a cation exchange resin solution (manufactured by Aldrich,
つぎに、高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン115膜、膜厚約120μm)を0.5mol/lの硫酸で1時間煮沸したのちに、高分子電解質膜に脱イオン水で5回の洗浄および1時間煮沸を施した。つづいて、高分子電解質膜のそれぞれの面に、上述の方法で製作した従来の電極を配したのちに加熱圧着(135℃、50kg/cm2)することによって、高分子電解質膜と従来の電極とを一体に接合した。そのあと、接合体の従来の電極から高分子(FEP)フィルムを剥がし取った。このようにして、従来の電極を備える膜/電極接合体を製作した。 Next, after boiling the polymer electrolyte membrane (DuPont Nafion 115 membrane, film thickness of about 120 μm) with 0.5 mol / l sulfuric acid for 1 hour, the polymer electrolyte membrane is washed with deionized water five times. And boiled for 1 hour. Subsequently, the polymer electrolyte membrane and the conventional electrode are formed by placing the conventional electrode manufactured by the above-described method on each surface of the polymer electrolyte membrane and then heat-pressing (135 ° C., 50 kg / cm 2 ). Were joined together. Thereafter, the polymer (FEP) film was peeled off from the conventional electrode of the joined body. In this way, a membrane / electrode assembly provided with a conventional electrode was manufactured.
最後に、その膜/電極接合体のそれぞれの面に、撥水性を付与した導電性多孔質体であるカーボンペーパーを配したのちに一対のセパレータで挟持することによって、従来の電極を備える燃料電池(以後、この燃料電池を比較例1の燃料電池と呼ぶことにする)を製作した。 Finally, a carbon cell, which is a conductive porous body imparted with water repellency, is disposed on each surface of the membrane / electrode assembly, and then sandwiched between a pair of separators, thereby providing a fuel cell having a conventional electrode (Hereinafter, this fuel cell will be referred to as the fuel cell of Comparative Example 1).
[比較例2]
比較のために、触媒金属が陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に担持された第1層のみを電極として備える燃料電池をつぎに示す方法で製作した。まず、その第1層を実施例1と同様の手順で製作した。つぎに、この第1の層を5cm×5cmの大きさに裁断したものを電極として用いた。この電極には、触媒金属としての白金が、0.05mg/cm2担持されていた。
[Comparative Example 2]
For comparison, a fuel cell was manufactured by the method described below, in which the catalyst metal was provided with only the first layer supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface as an electrode. First, the first layer was manufactured in the same procedure as in Example 1. Next, the first layer cut into a size of 5 cm × 5 cm was used as an electrode. This electrode supported 0.05 mg / cm 2 of platinum as a catalyst metal.
つづいて、実施例1と同様の手順で前処理を施した高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン115膜、膜厚約120μm)のそれぞれの面に、比較例2の電極を配したのちに加熱圧着(135℃、50kg/cm2)することによって、その膜とその電極と一体に接合した。そのあと、その接合体の第1層から高分子(FEP)フィルムを剥がし取った。このようにして、比較例2の電極を備える膜/電極接合体を製作した。 Subsequently, after placing the electrode of Comparative Example 2 on each surface of the polymer electrolyte membrane (DuPont, Nafion 115 membrane, film thickness of about 120 μm) pretreated by the same procedure as in Example 1. The membrane and the electrode were integrally joined by thermocompression bonding (135 ° C., 50 kg / cm 2 ). Thereafter, the polymer (FEP) film was peeled off from the first layer of the joined body. In this way, a membrane / electrode assembly including the electrode of Comparative Example 2 was produced.
最後に、その膜/電極接合体のそれぞれの面に、撥水性を付与した導電性多孔質体のカーボンペーパーを配したのちに一対のセパレータで挟持することによって、その電極を備える燃料電池(以後、この燃料電池を比較例2の燃料電池と呼ぶことにする)を製作した。 Finally, a conductive porous carbon paper imparted with water repellency is disposed on each surface of the membrane / electrode assembly, and then sandwiched between a pair of separators, thereby providing a fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) equipped with the electrode. This fuel cell will be referred to as the fuel cell of Comparative Example 2).
本発明の燃料電池、比較例1の燃料電池および比較例2の燃料電池の電圧―電流特性を評価した結果を図7に示す。この評価の条件は、セル温度を80℃、アノードガスを純水素、アノード利用率を80%、アノード加湿温度を80℃、カソードガスを空気、カソード利用率40%、カソード加湿温度を80℃とした。図8において、曲線Aは本発明の燃料電池の電圧―電流特性、曲線Cは比較例1の燃料電池の電圧―電流特性、曲線Bは比較例2の燃料電池の電圧―電流特性を示す。 FIG. 7 shows the results of evaluating the voltage-current characteristics of the fuel cell of the present invention, the fuel cell of Comparative Example 1, and the fuel cell of Comparative Example 2. The conditions for this evaluation were as follows: the cell temperature was 80 ° C., the anode gas was pure hydrogen, the anode utilization rate was 80%, the anode humidification temperature was 80 ° C., the cathode gas was air, the cathode utilization rate was 40%, and the cathode humidification temperature was 80 ° C. did. In FIG. 8, curve A shows the voltage-current characteristic of the fuel cell of the present invention, curve C shows the voltage-current characteristic of the fuel cell of Comparative Example 1, and curve B shows the voltage-current characteristic of the fuel cell of Comparative Example 2.
図7より、比較例2の燃料電池の白金使用量は、比較例1の場合の約1/10であるにもかかわらず、比較例2の燃料電池の電圧―電流特性が優れることがわかる。この結果は、比較例2の燃料電池に備わる電極では、触媒金属が選択的に陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に担持されているので、その触媒金属である白金に利用率が飛躍的に向上したことに起因するものと考えられる。 FIG. 7 shows that the voltage-current characteristics of the fuel cell of Comparative Example 2 are excellent even though the amount of platinum used in the fuel cell of Comparative Example 2 is about 1/10 that of Comparative Example 1. As a result, in the electrode provided in the fuel cell of Comparative Example 2, the catalytic metal is selectively supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. This is probably due to the dramatic improvement in utilization.
さらに、本発明の燃料電池の白金使用量は、比較例2の場合と同程度であるにもかかわらず、本発明の燃料電池ではセル電圧が向上したことがわかる。この向上は、適度な撥水性と有孔性とを備える導電性の第2層によって、触媒金属が選択的に陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に担持された電極の含水状態が良好な状態に維持されたので、その触媒金属の電気化学的な反応に対する活性が向上したことに起因するものと考えられる。 Furthermore, although the amount of platinum used in the fuel cell of the present invention is similar to that in Comparative Example 2, it can be seen that the cell voltage was improved in the fuel cell of the present invention. This improvement is achieved by an electrode in which the catalytic metal is selectively supported on the contact surface between the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface by the conductive second layer having appropriate water repellency and porosity. Since the water-containing state was maintained in a good state, it is considered that the catalyst metal was improved in activity for electrochemical reaction.
本発明の燃料電池および比較例2の燃料電池のセル電圧とカソード加湿温度との関係を図8に示す。この関係の測定条件は、セル温度を80℃、アノードガスを純水素、アノード利用率を80%、アノード加湿温度を80℃、カソードガスを空気、カソード利用率40%として、カソード加湿温度を55℃から95℃の間で変化させた。図8において、曲線Dは本発明の燃料電池のセル電圧とカソード加湿温度との関係を示し、曲線Eは比較例2の燃料電池のセル電圧とカソード加湿温度との関係を示す。 FIG. 8 shows the relationship between the cell voltage of the fuel cell of the present invention and the fuel cell of Comparative Example 2 and the cathode humidification temperature. The measurement conditions of this relationship are as follows: the cell temperature is 80 ° C., the anode gas is pure hydrogen, the anode utilization is 80%, the anode humidification temperature is 80 ° C., the cathode gas is air, the cathode utilization is 40%, and the cathode humidification temperature is 55. The temperature was varied between 0 ° C and 95 ° C. In FIG. 8, curve D shows the relationship between the cell voltage of the fuel cell of the present invention and the cathode humidification temperature, and curve E shows the relationship between the cell voltage of the fuel cell of Comparative Example 2 and the cathode humidification temperature.
図8より、比較例2の燃料電池のセル電圧は、カソード加湿温度がセル温度よりも低くなるにともなって、著しく低下するが、逆に、本発明の燃料電池は、比較例2の場合よりも、カソードガスの加湿状態が低い場合でも、高いセル電圧を維持することが可能であることわかる。この結果は、本発明の燃料電池では、カソードガスの含水量の低下に起因するセル電圧の低減が抑制されたことを示す。 From FIG. 8, the cell voltage of the fuel cell of Comparative Example 2 significantly decreases as the cathode humidification temperature becomes lower than the cell temperature. Conversely, the fuel cell of the present invention has a higher cell voltage than that of Comparative Example 2. However, it can be seen that a high cell voltage can be maintained even when the humidified state of the cathode gas is low. This result shows that in the fuel cell of the present invention, the reduction in the cell voltage due to the decrease in the water content of the cathode gas is suppressed.
このセル電圧の低減の抑制は、適度な撥水性と有孔性とを備える導電性の第2層によって、触媒金属が選択的に陽イオン交換樹脂のプロトン伝導経路とカーボン表面との接面に担持された電極の乾燥が防止されてことに起因するものと考えられる。つまり、その電極とカソードガスが流れる導電性多孔質体の空隙との間に保水作用を備える層が配置されているので、乾燥したカソードガスが、その電極に、直接、接触することが阻止される。この阻止によって、電極の過度な乾燥が抑制されたものと思われる。さらに、その抑制効果によって、電極の含水状態が良好な状態に維持されたので、その触媒金属の電気化学的な反応に対する活性が向上したことも、低加湿のカソードガスでもセル電圧が高いことの一因であるものと考えられる。 The suppression of the cell voltage reduction is achieved by the conductive second layer having appropriate water repellency and porosity, so that the catalytic metal is selectively brought into contact with the proton conduction path of the cation exchange resin and the carbon surface. This is probably due to the fact that drying of the supported electrode is prevented. In other words, since a layer having a water retention function is disposed between the electrode and the gap of the conductive porous body through which the cathode gas flows, the dried cathode gas is prevented from directly contacting the electrode. The This prevention seems to suppress the excessive drying of the electrode. Furthermore, because of the suppression effect, the water content of the electrode was maintained in a good state, so that the activity of the catalytic metal against the electrochemical reaction was improved, and the cell voltage was high even with a low humidified cathode gas. This is considered to be a cause.
11 本発明の燃料電池用電極
12 第1層
13 第2層
14 陽イオン交換膜
15 撥水性を付与した導電性多孔質体
31 第1のカーボン
32 陽イオン交換樹脂
33 細孔
41 陽イオン交換樹脂の親水性領域(プロトン伝導経路)
42 陽イオン交換樹脂の疎水性領域
43、61 触媒金属
51 第2のカーボン
52 フッ素樹脂
53 空隙 62 触媒金属粒子が存在しない領域
11 Electrode for Fuel Cell of the
42 Hydrophobic region of
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