JP2005302434A - Electrode for fuel cell, manufacturing method of electrode for fuel cell, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法および燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell electrode, a method for manufacturing a fuel cell electrode, and a fuel cell.
近年、自動車などの駆動源として、電気と熱を供給するコジェネレーション機器として、また携帯用電源として用いられる固体高分子型燃料電池が開発されている。 In recent years, polymer electrolyte fuel cells have been developed that are used as driving sources for automobiles, as cogeneration equipment that supplies electricity and heat, and as portable power sources.
この固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを形成した電極をそれぞれ配置して膜電極接合体(MEA:Membrane electrode assembly)を形成し、さらに反応ガスである燃料ガスの流路となる燃料極側セパレータ、空気の流路となる空気極側セパレータなどを形成して燃料電池セル(単セル)が構成されている。 In this polymer electrolyte fuel cell, electrodes having a catalyst layer and a gas diffusion layer formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane are arranged to form a membrane electrode assembly (MEA) and further reacted. A fuel cell (single cell) is formed by forming a fuel electrode side separator serving as a flow path for fuel gas that is gas, an air electrode side separator serving as a flow path for air, and the like.
触媒層やガス拡散層でなる電極の基材としては、一般にカーボンが用いられている。また、従来の固体高分子型燃料電池では、電極触媒の材料として、カーボン粒子を用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
一般に、カーボン粒子の表面には微細孔(径寸法が10nm以下程度)が存在する。カーボン粒子の微細孔に水が入り込んだ場合、これが凍結膨張してカーボン粒子が破壊される可能性がある。具体的には、固体高分子電解質膜から蒸発した水が凝縮するなどしてこの微細孔に水が入り込んだ場合、水はなかなか抜けず、氷点下環境下ではこの水が凍結した場合(−20℃では孔径5nm以上の孔に存在する水は凍結する)、膨張してカーボン粒子が破壊されるという可能性がある。 In general, fine pores (diameter of about 10 nm or less) are present on the surface of carbon particles. When water enters the micropores of the carbon particles, they may freeze and expand, and the carbon particles may be destroyed. Specifically, when water enters the fine pores due to condensation of water evaporated from the solid polymer electrolyte membrane, the water does not readily escape, and this water freezes in a sub-freezing environment (−20 ° C. In this case, water existing in pores having a pore diameter of 5 nm or more is frozen), and the carbon particles may be destroyed by expansion.
なお、電極触媒表面にPTFE(フッ素樹脂:ポリテトラフルオロエチレン)などを含浸させてものも知られているが、PTFEの粒子径は低分子量であっても大きく、一次粒子径が少なくとも50nm程度であり、PTFEが粉体として供給される場合には通常造粒されており、平均粒径は数100nm(数μm)から数10万nm(数100nm)程度である。したがって、カーボン粒子に存在する径寸法が10nm以下の微細孔の内部にPTFEが入ることは難しい。このため、PTFEを含浸処理しても、カーボン粒子の微細孔は埋められないまま残存してしまう。これに対して水分子の大きさは0.3nm程度であるため、カーボン粒子表面にPTFEが存在していても微細孔内部に水が入ってしまうという問題点がある。 Although it is known that the surface of the electrode catalyst is impregnated with PTFE (fluororesin: polytetrafluoroethylene) or the like, the particle diameter of PTFE is large even at a low molecular weight, and the primary particle diameter is at least about 50 nm. When PTFE is supplied as a powder, it is usually granulated, and the average particle size is about several hundred nm (several μm) to several hundred thousand nm (several hundred nm). Therefore, it is difficult for PTFE to enter inside the fine pores having a diameter of 10 nm or less present in the carbon particles. For this reason, even if it impregnates with PTFE, the micropores of the carbon particles will remain unfilled. On the other hand, since the size of the water molecule is about 0.3 nm, there is a problem that water enters the fine pores even if PTFE is present on the surface of the carbon particles.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、氷点下環境下においても水の凍結膨張により破壊されることを防止した燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池を提供することにある。 Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell electrode that is prevented from being destroyed by freezing and expansion of water even in a sub-freezing environment, and a fuel cell using the same.
本発明の第1の特徴に係る発明は、燃料電池用電極および燃料電池であって、基材用カーボン微粒子の表面に存在する微細孔を充填用材料で塞いでなる材料で、ガス拡散層および触媒層のうち少なくとも一方を構成することを要旨としている。 The invention according to the first aspect of the present invention is an electrode for a fuel cell and a fuel cell, wherein the micropores existing on the surface of the carbon fine particles for the substrate are filled with a filling material, and the gas diffusion layer and The gist is to constitute at least one of the catalyst layers.
また、本発明の第2の特徴に係る発明は、燃料電池用電極および燃料電池であって、金属微粒子もしくはセラミック微粒子の表面をカーボンでコーティングしてなる材料で、ガス拡散層、触媒層の少なくとも一方を構成することを要旨としている。 The invention according to the second aspect of the present invention is an electrode for a fuel cell and a fuel cell, wherein the surface of metal fine particles or ceramic fine particles is coated with carbon, and includes at least a gas diffusion layer and a catalyst layer. The gist is to constitute one.
さらに、本発明の第3の特徴に係る発明は、燃料電池用電極の製造方法であって、基材用カーボン微粒子の表面に触媒材料を担持させる工程と、この触媒材料を担持させた基材用カーボン微粒子とこの基材用カーボン微粒子よりも粒径の小さい充填用材料微粒子とをイオン伝導性材料を含む溶液もしくはフッ素樹脂を分散させた溶液に混ぜてペースト状にする工程と、ペースト状の材料を成形して、燃料電池用電極の少なくとも一部をなすように形成することを要旨としている。 Furthermore, the invention according to the third aspect of the present invention is a method for producing an electrode for a fuel cell, comprising a step of carrying a catalyst material on the surface of carbon fine particles for a substrate, and a substrate carrying the catalyst material A step of mixing a carbon fine particle for filler and a filler fine particle having a particle diameter smaller than the carbon fine particle for a base material with a solution containing an ion conductive material or a solution in which a fluororesin is dispersed, The gist is to form the material so as to form at least part of the fuel cell electrode.
第1の特徴に係る発明によれば、微細孔が充填用材料で埋め込まれたカーボン微粒子を基材として用いているため、微細孔に水が入り込んで氷点下の環境になったときに水が凍結膨張してカーボン粒子が破壊することを防止できる。この材料を燃料電池のガス拡散層に用いることにより、電子伝導性を損なうことなくカーボン粒子の破壊を防止できる。また、この材料を燃料電池の触媒層として用いていることにより、担持する白金など触媒金属をフラッディングを起こし易い微細孔の中に担持してしまうことを抑えることができ、触媒金属の利用効率を向上できる。 According to the invention relating to the first feature, since the carbon fine particles in which the fine pores are embedded with the filling material are used as the base material, the water is frozen when the fine pores enter the environment below freezing point. Expansion and destruction of the carbon particles can be prevented. By using this material for the gas diffusion layer of the fuel cell, it is possible to prevent the destruction of the carbon particles without impairing the electronic conductivity. In addition, by using this material as the catalyst layer of the fuel cell, it is possible to prevent the catalyst metal such as platinum to be supported from being supported in the fine pores that are likely to cause flooding. It can be improved.
第2の特徴に係る発明によれば、金属微粒子もしくはセラミック微粒子の周囲にカーボンをコーティングすることにより微細孔の生成を抑制することができる。 According to the second aspect of the invention, the formation of micropores can be suppressed by coating carbon around metal fine particles or ceramic fine particles.
第3の特徴に係る発明によれば、基材用カーボン微粒子よりも粒径の小さい充填用材料微粒子とをイオン伝導性材料を含む溶液もしくはフッ素樹脂を分散させた溶液に混ぜてペースト状となし、これを成形して燃料電池用電極の少なくとも一部をなすように形成することにより、基材用カーボン粒子の微細孔に充填用材料微粒子を確実に結着させることができる。 According to the third aspect of the invention, the filling material fine particles having a particle diameter smaller than the carbon fine particles for the base material are mixed with a solution containing an ion conductive material or a solution in which a fluororesin is dispersed to form a paste. By forming this so as to form at least a part of the electrode for the fuel cell, the filler material fine particles can be reliably bound to the micropores of the carbon particles for the substrate.
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用電極、その製造方法、並びに燃料電池の詳細を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the fuel cell electrode according to the embodiment of the present invention, the manufacturing method thereof, and the details of the fuel cell will be described with reference to the drawings.
本実施の形態に係る燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池の構成について、図1を用いて説明する。本実施の形態に係る燃料電池100は、複数の燃料電池セル10を積層して構成されている。燃料電池セル10は、電解質膜1と、この電解質膜1の両側表面に沿って配置された電極触媒層2,3と、これら電極触媒層2,3の外側面に沿って配置されたカーボン層4,5と、これらカーボン層4,5の外側面に沿って配置されたガス拡散層6,7と、こられガス拡散層6,7の外側面に沿って配置されたセパレータ8,9と、を備えて大略構成されている。なお、本実施の形態では、電極触媒層2,3とカーボン層4,5とで電極(燃料電池用電極)が構成されている。
A configuration of a fuel cell electrode according to the present embodiment and a fuel cell using the same will be described with reference to FIG. The
また、セパレータ8の一方の表面には溝状の複数の水素ガス流路8Aが形成され、他方の表面には溝状の複数の空気ガス流路8Bが形成されている。ガス拡散層6の表面には、セパレータ8の水素ガス流路8Aが形成された面が接合されている。なお、セパレータ8の空気ガス流路8Bが形成された面は、この燃料電池セル10に隣接する(図1中、上側の)燃料電池セルのセパレータとして用いられる。
Further, a plurality of groove-shaped hydrogen
同様に、セパレータ9の一方の表面には溝状の複数の水素ガス流路9Aが形成され、他方の表面には溝状の複数の空気ガス流路9Bが形成されている。セパレータ9の空気ガス流路9Bが形成された面は、この燃料電池セル10のガス拡散層7の表面に接合されている。そして、セパレータ9の水素ガス流路9Aが形成された面は、隣接する(図1中、下側の)燃料電池セルのセパレータとして用いられる。
Similarly, a plurality of groove-shaped hydrogen
電解質膜1としては、水素イオン伝導性に優れた材料を用いる。また、電極触媒層2,3としては、酸素還元性、水素の水素イオン化反応の触媒性能が優れた材料を用いる。さらに、カーボン層4,5としては、サブミクロンの微細孔(ミクロポア)を有するカーボン粒子で形成する。そして、ガス拡散層6,7としては、ガスの透過性と電子の伝導性とを兼ね備えたものを用いる。
As the electrolyte membrane 1, a material excellent in hydrogen ion conductivity is used. The electrode catalyst layers 2 and 3 are made of materials having excellent oxygen reducing properties and catalytic performance for hydrogen ionization reaction of hydrogen. Further, the
なお、本実施の形態では、電解質膜1の厚さを30μm程度、触媒層2,3の厚さを10μm程度、カーボン層4,5の厚さを10μm程度、セパレータの厚さを5mm程度に設定している。
In this embodiment, the thickness of the electrolyte membrane 1 is about 30 μm, the thickness of the catalyst layers 2 and 3 is about 10 μm, the thickness of the
(実施例1)
次に、本実施の形態の実施例1に係る燃料電池用電極および燃料電池について説明する。本実施例においては、電解質膜1としてパーフルオロスルホン酸系ポリマー(商標Nafion:デュポン社製)を用いた。
(Example 1)
Next, a fuel cell electrode and a fuel cell according to Example 1 of the present embodiment will be described. In this example, a perfluorosulfonic acid polymer (trademark Nafion: manufactured by DuPont) was used as the electrolyte membrane 1.
また、電極触媒層2,3に含まれる触媒としては、酸素還元性および水素イオン化反応の触媒性能が優れた材料である白金(Pt)を用いる。また、この白金を担持する材料としては、白金からガス拡散層6,7への電子の伝導や、電解質膜1への水素イオンの伝導ならびにガスを供給するための空孔を形成するためにカーボンブラックを用いる。
Moreover, as a catalyst contained in the electrode catalyst layers 2 and 3, platinum (Pt) which is a material excellent in oxygen reducibility and catalytic performance of hydrogen ionization reaction is used. The platinum-supporting material includes carbon to form electrons for conduction of electrons from platinum to the
なお、本実施例では、白金を担持したカーボンの製造方法として、塩化白金酸(H2PtC16・6H2O)水溶液にカーボン担体を加えた。次に、塩化白金酸水溶液にカーボン担体を加えたものに、ホルムアルデヒドなどの還元剤を加えることにより、白金微粒子を還元させ、カーボン担体上に吸着させることにより作製した。なお、本実施例では、還元剤としてホルムアルデヒドを用いたが、この他に水素化ホウ素ナトリウム、ギ酸、クエン酸ナトリウム、ヒドラジンなどの還元剤を用いてもよい。 In the present embodiment, as a manufacturing method of a carbon supporting platinum was added carbon support chloroplatinic acid (H 2 PtC 16 · 6H 2 O) aqueous solution. Next, a fine particle of platinum was reduced by adding a reducing agent such as formaldehyde to a chloroplatinic acid aqueous solution to which a carbon carrier was added, and was made to adsorb on the carbon carrier. In this embodiment, formaldehyde is used as the reducing agent, but other reducing agents such as sodium borohydride, formic acid, sodium citrate, and hydrazine may be used.
また、本実施例では、第1カーボン微粒子(基材用カーボン微粒子)として、平均粒径50nmのカーボンブラック(Vulcan:商標名)と、粒径の小さい第2カーボン微粒子(充填用カーボン微粒子)として粒径が9nmのカーボンブラック(Carbolac:商標名)を用いた。ここで、第2カーボン微粒子として、Carbolacの代わりに、粒径が12nmのBlack Pearls(商標名)を用いてもよい。なお、粒径の小さい第2カーボン微粒子(Carbolac)は、微細孔を埋めるために、2500℃での熱処理によりグラファイト化(黒鉛化)した。この結果、カーボンの電子伝導度を大きくすることができる。白金を担持させたVulcanと白金を担持させていない粒径の小さいカーボンと、水素イオン導電性を有する低分子のパーフルオロスルホン酸系ポリマー(Nafion:デュポン社製)溶液を混ぜて、ホモジェナイザーを用いて撹拌し、エバポレータにより真空脱気して電極のペーストを作製した。このような製造方法により、第1カーボン微粒子(Vulcan)の微細孔を粒径の小さいカーボンによって塞ぐことができた。 In this example, as the first carbon fine particles (carbon fine particles for base material), carbon black (Vulcan: trade name) having an average particle diameter of 50 nm and second carbon fine particles (filling carbon fine particles) having a small particle diameter are used. Carbon black (Carbolac: trade name) having a particle size of 9 nm was used. Here, as the second carbon fine particles, Black Pearls (trade name) having a particle diameter of 12 nm may be used instead of Carbolac. The second carbon fine particles (Carbolac) having a small particle size were graphitized (graphitized) by heat treatment at 2500 ° C. in order to fill the fine pores. As a result, the electronic conductivity of carbon can be increased. Mix Vulcan carrying platinum, carbon with small particle size not carrying platinum, and low molecular perfluorosulfonic acid polymer (Nafion: manufactured by DuPont) with hydrogen ion conductivity. The electrode paste was prepared by vacuum degassing with an evaporator. With such a manufacturing method, the fine pores of the first carbon fine particles (Vulcan) could be closed with carbon having a small particle diameter.
図2および図3は上記方法で作製した、微細孔を塞いだ状態を示すカーボン微粒子を模式的に示す図である。なお、図3(a)は基材用カーボン微粒子としての第1カーボン微粒子の表面に微細孔が形成されている状態を示し、図3(b)は充填用カーボン微粒子としての第2カーボン微粒子で微細孔が塞がれた第1カーボン微粒子の表面にアイオノマーが付着すると共に白金(Pt)が担持されている状態を示している。図2に示すように、粒径の大きな粒子である第1カーボン微粒子11に形成されている微細孔11Aは、他の物質である第2カーボン微粒子12で塞がれている。また、微細孔11Aの開口部付近と第1カーボン微粒子の表面には、パーフルオロスルホン酸系ポリマー(アイオノマー)13が付着している。さらに、第1カーボン微粒子11の表面には、触媒としての白金14が担持されている(図3(b)参照。)。
2 and 3 are views schematically showing carbon fine particles produced by the above-described method and showing a state in which fine holes are closed. 3A shows a state in which micropores are formed on the surface of the first carbon fine particles as the carbon fine particles for the substrate, and FIG. 3B shows the second carbon fine particles as the carbon fine particles for filling. This shows a state in which ionomer adheres to the surface of the first carbon fine particles in which the micropores are blocked and platinum (Pt) is supported. As shown in FIG. 2, the fine holes 11 </ b> A formed in the first
次に、上述のペーストを電解質膜1の両側の表面に、例えばスクリーン印刷する。 Next, the above-mentioned paste is screen-printed on the surfaces on both sides of the electrolyte membrane 1, for example.
そして、本実施例1では、ガス拡散層6,7についてはガスの透過性と電子の伝導を兼ね備えた構成にした。本実施例1では、50μm程度の細孔径をもつカーボンペーパー(東レ製)を用いた。このカーボンペーパーをPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)分散液に含浸させた後、380℃で1時間熱処理した。これにより、ガス拡散層6,7に撥水性をもたせた。
In the first embodiment, the
カーボン層4,5としては、サブミクロンの撥水性の細孔構造を形成するために、カーボン微粒子とPTFEディスパージョン(D−1:ダイキン工業製)とを混合し、真空脱気を施してペースト状にしたものを、ガス拡散層として用いるカーボンペーパーに塗布した。なお、このカーボン微粒子は、平均粒径50nmのカーボンブラック(Vulcan:商標名)と、粒径が9nm程度に小さいカーボンブラック(Carbolac:商標名)を用いた。 As carbon layers 4 and 5, in order to form a submicron water-repellent pore structure, carbon fine particles and PTFE dispersion (D-1: manufactured by Daikin Industries) are mixed, vacuum degassed and paste The resulting product was applied to carbon paper used as a gas diffusion layer. The carbon fine particles used were carbon black (Vulcan: trade name) having an average particle diameter of 50 nm and carbon black (Carbolac: trade name) having a particle diameter as small as about 9 nm.
そして、ガス拡散層6,7に形成したカーボン層4,5をそれぞれの対応する触媒層2,3に接合して燃料電池Aを作製した。
Then, the carbon layers 4 and 5 formed on the
なお、本実施例1では、第1カーボン微粒子11の微細孔11Aを第2カーボン微粒子12で塞いだが、パーフルオロスルホン酸系ポリマーのみで微細孔11Aを塞いでもよい。また、粒径の小さい第2カーボン微粒子12の代わりに、金属微粒子を用いることも考えられる。
In Example 1, the
(実施例2)
次に、本実施の形態の実施例2に係る燃料電池用電極および燃料電池について説明する。本実施例2では、カーボン微粒子中の微細孔を塞ぐ目的で他の物質として金(Au)を用いた。
(Example 2)
Next, a fuel cell electrode and a fuel cell according to Example 2 of the present embodiment will be described. In Example 2, gold (Au) was used as another substance for the purpose of closing the micropores in the carbon fine particles.
以下、本実施例2に係る燃料電池用電極および燃料電池の製造方法を説明する。 Hereinafter, a fuel cell electrode and a fuel cell manufacturing method according to the second embodiment will be described.
まず、水溶液中にカーボンブラック(カーボン微粒子)を分散し、塩化金酸溶液を添加し、ホルムアルデヒドを加えてカーボンブラックの表面に沈着させる。このカーボンブラックを含む溶液を濾過水洗し、80℃にて乾燥させた。この結果、図5の模式図に示すように、カーボン微粒子の微細孔が金微粒子で塞がれた状態となる。 First, carbon black (carbon fine particles) is dispersed in an aqueous solution, a chloroauric acid solution is added, and formaldehyde is added to be deposited on the surface of the carbon black. The solution containing carbon black was washed with filtered water and dried at 80 ° C. As a result, as shown in the schematic diagram of FIG. 5, the fine pores of the carbon fine particles are closed with the gold fine particles.
次に、金により微細孔が塞がれたカーボン微粒子に、3nm程度の粒径の白金触媒を担持させる。このように調製したカーボン微粒子とパーフルオロスルホン酸系ポリマー(Nafion)溶液とを混ぜて撹拌してペースト状にした後、電解質膜1の表面に沿ってスクリーン印刷にて触媒層2,3を形成する。 Next, a platinum catalyst having a particle diameter of about 3 nm is supported on carbon fine particles whose micropores are closed by gold. After mixing the carbon microparticles prepared in this way and the perfluorosulfonic acid polymer (Nafion) solution and stirring to form a paste, catalyst layers 2 and 3 are formed by screen printing along the surface of the electrolyte membrane 1. To do.
カーボン層4,5は、金の硝酸塩溶液を使用して、カーボン微粒子上に吸着させることにより作製した。 The carbon layers 4 and 5 were produced by adsorbing onto the carbon fine particles using a gold nitrate solution.
なお、実施例2における他の構成および製造方法は、上記実施例1と同様であり、本実施例2で燃料電池Bを作製した。 Other configurations and manufacturing methods in Example 2 are the same as those in Example 1, and a fuel cell B was manufactured in Example 2.
(実施例3)
次に、本実施の形態の実施例3に係る燃料電池用電極および燃料電池について説明する。本実施例3では、カーボンブラックを、2000℃から3500℃で熱処理することにより、微細孔を埋める方法を試みた。上記熱処理により、カーボンブラックはグラファイト化(黒鉛化)し、カーボンの結晶性が高まり、電子伝導性が高まることが知られている。本実施例ではカーボンブラックとして平均粒径が50nmのカーボン微粒子(Vulcan)を用いた。上記熱処理により、10nm以下の微細孔(ミクロポア)の分布が減少し、比表面積が300m2/gから100m2/gに減少した。
(Example 3)
Next, a fuel cell electrode and a fuel cell according to Example 3 of the present embodiment will be described. In Example 3, an attempt was made to fill the fine holes by heat treating carbon black at 2000 to 3500 ° C. It is known that carbon black is graphitized (graphitized) by the heat treatment, the carbon crystallinity is increased, and the electron conductivity is increased. In this example, carbon fine particles (Vulcan) having an average particle diameter of 50 nm were used as carbon black. By the heat treatment, the distribution of fine pores (micropores) of 10 nm or less was reduced, and the specific surface area was reduced from 300 m 2 / g to 100 m 2 / g.
なお、本実施例3におけるカーボン微粒子の構成及び作製方法以外は、上述の実施例1と同様であり、本実施例3で作製した燃料電池を燃料電池Cとした。 The fuel cell produced in Example 3 was designated as Fuel Cell C, except for the configuration and production method of the carbon fine particles in Example 3.
(実施例4)
次に、本実施の形態の実施例4に係る燃料電池用電極および燃料電池について説明する。本実施例4では、金属やセラミック微粒子をカーボングラファイトでコーティングするために、試料を炭化水素ガス雰囲気中で加熱した。なお、このように金属などの微粒子をカーボンでコーティングすることにより、微細孔の生成を抑制することができる。本実施例4では、粒径約50nmのγ−アルミナ超微粒子を用いた。この加熱処理は、ベンゼンガス1kPa、アルゴンガス40kPaの混合ガス雰囲気中で1100℃で30分間行った。この結果、γ−アルミナ超微粒子の表面に、厚さ約5nmのグラファイト化したカーボン被膜が形成された。
Example 4
Next, a fuel cell electrode and a fuel cell according to Example 4 of the present embodiment will be described. In Example 4, the sample was heated in a hydrocarbon gas atmosphere in order to coat metal or ceramic fine particles with carbon graphite. In addition, by coating fine particles such as metal with carbon in this way, generation of micropores can be suppressed. In Example 4, γ-alumina ultrafine particles having a particle size of about 50 nm were used. This heat treatment was performed at 1100 ° C. for 30 minutes in a mixed gas atmosphere of benzene gas 1 kPa and argon gas 40 kPa. As a result, a graphitized carbon film having a thickness of about 5 nm was formed on the surface of the γ-alumina ultrafine particles.
なお、本実施例4では、γ−アルミナを用いたが、Niをはじめとする金属微粒子を用いてもよい。Niを用いる場合の処理温度は、400〜500℃が好ましい。この温度以下では、カーボン被膜はアモルファスであり、これ以上の処理温度ではセメンタイトに変わってしまう。 In the fourth embodiment, γ-alumina is used, but metal fine particles such as Ni may be used. The processing temperature in the case of using Ni is preferably 400 to 500 ° C. Below this temperature, the carbon coating is amorphous and at higher processing temperatures, it changes to cementite.
また、金属はセラミック微粒子をカーボンでコーティングせずに金属微粒子のみを使うことも考えられるが、NiやFeをはじめとする金属微粒子単体では、腐食・劣化しやすい。 In addition, it is conceivable to use only metal fine particles without coating ceramic fine particles with carbon, but metal fine particles such as Ni and Fe are easily corroded and deteriorated.
なお、本実施例4では、上記カーボン微粒子の構成以外は、上記実施例1と同様である。このカーボン微粒子を用いて作製した燃料電池を燃料電池Dとした。 The fourth embodiment is the same as the first embodiment except for the configuration of the carbon fine particles. A fuel cell produced using the carbon fine particles was designated as a fuel cell D.
(比較例)
比較例は、カーボン微粒子の微細孔を埋めずにそのまま白金を担持させたものを触媒層として形成して、燃料電池Eを作製した。なお、比較例における他の構成は、上記実施例1と同様である。
(Comparative example)
In the comparative example, a fuel cell E was produced by forming a catalyst layer on which platinum was supported as it was without filling the fine pores of the carbon fine particles. Other configurations in the comparative example are the same as those in the first embodiment.
[実施例1〜4および比較例の特性比較]
燃料電池A〜Eで用いたカーボン微粒子を水に浸けてエバポレータにより真空脱気してカーボン微粒子に水を染み込ませた後に凍結・解凍させて、光散乱法により平均粒径の変化を観測した。この結果は、図4に示す通りである。燃料電池Eの電極触媒層を構成するカーボン微粒子では、その微細孔内に水が入り込みこれが氷点下で凍結、膨張してカーボン微粒子を破壊させてしまったものと考えられる。
[Comparison of characteristics of Examples 1 to 4 and Comparative Example]
The carbon fine particles used in the fuel cells A to E were immersed in water, vacuum deaerated with an evaporator, soaked in water with the carbon fine particles, and then frozen and thawed, and the change in the average particle diameter was observed by a light scattering method. The result is as shown in FIG. In the carbon fine particles constituting the electrode catalyst layer of the fuel cell E, it is considered that water entered the fine pores, and this was frozen and expanded below freezing point to destroy the carbon fine particles.
次に、燃料電池A〜Eにおける燃料電池セル(単セル)に着目して、水素1気圧、空気1気圧にて発電を行った。まず、電流密度40mA/cm2で発電を行った。燃料電池A,B,C,Dの燃料電池セルでは、燃料電池Eの燃料電池セルよりも電圧が10〜15mV程度高い性能が確認された。この理由は、燃料電池A,B,C,Dの燃料電池セルにおいては、カーボン微粒子の微細孔内に白金が入り込むことが防がれたため触媒反応に寄与できる白金の割合が増えたためであると考えられる。 Next, focusing on the fuel cell (single cell) in the fuel cells A to E, power was generated at 1 atm of hydrogen and 1 atm of air. First, power generation was performed at a current density of 40 mA / cm 2 . In the fuel cells of fuel cells A, B, C, and D, performance higher than that of the fuel cell of fuel cell E by about 10 to 15 mV was confirmed. The reason for this is that in the fuel cells of fuel cells A, B, C, and D, platinum is prevented from entering the fine pores of the carbon fine particles, so that the proportion of platinum that can contribute to the catalytic reaction is increased. Conceivable.
その後、燃料電池A〜Eの燃料電池セルを、電流密度1A/cm2で発電させ、燃料電池セルの凍結・解凍を繰り返した。初期の電圧と凍結・解凍を繰り返した後の出力電圧低下の結果を図4に示す。燃料電池A〜Dに比べて燃料電池Eでは、電圧の低下が大きい(40mV低下)。これはカーボン微粒子の破壊により、破壊されたカーボンがカーボン微粒子同士の隙間の空孔を埋めてしまうため、ガスが白金触媒へ到達しにくくなるために電圧が低下してしまうと考えられる。 Thereafter, the fuel cells of the fuel cells A to E were generated at a current density of 1 A / cm 2 and the freezing and thawing of the fuel cells was repeated. FIG. 4 shows the result of the output voltage drop after repeating the initial voltage and freezing / thawing. Compared to fuel cells A to D, the fuel cell E has a large voltage drop (40 mV drop). This is thought to be due to the destruction of the carbon fine particles, and the broken carbon fills the voids in the gaps between the carbon fine particles, which makes it difficult for the gas to reach the platinum catalyst, thereby reducing the voltage.
以上、本発明の各実施例などについて説明したが、例えば、上記実施例2では、塩化金酸溶液を用いたが、クロム(Cr)やパラジウム(Pd)などの他の金属塩溶液を用いてもよい。 As mentioned above, although each Example of this invention was demonstrated, for example in the said Example 2, although the chloroauric acid solution was used, other metal salt solutions, such as chromium (Cr) and palladium (Pd), were used. Also good.
また、上述したように、微細孔を塞ぐ材料としては、カーボン粒子の微細孔を塞ぐことができるものであること以外に、燃料電池に供給される水素や空気により腐食されることがなく、生成する水により溶けてしまわない材料である必要がある。電子伝導性または水素イオン伝導性を持つ材料(アイオノマー)であれば燃料電池触媒上で生成した電子や水素の移動を妨げないため、より好ましい。 In addition, as described above, the material that closes the micropores can be generated without being corroded by hydrogen or air supplied to the fuel cell, in addition to being capable of closing the micropores of the carbon particles. It must be a material that does not dissolve in water. A material (ionomer) having electron conductivity or hydrogen ion conductivity is more preferable because it does not hinder the movement of electrons and hydrogen generated on the fuel cell catalyst.
また、用いるカーボン粉末の微細孔の表面と埋め込まれる物質の接触角が90°以下であることが好ましい。そのためには、トライトンX−100などの界面活性剤を用いて接触角を下げる工程を付加してもよい。そして、微細孔中のカーボンとの接触角が90°以下の材料(撥水性を有する材料)の場合は、図6(a)に示すように、表面張力により材料が細孔中に入り込む(Washburnの式P=−4γcosθ/d(P:圧力、γ:表面張力、θ:接触角、d:細孔直径))。また、エバポレータなどにより真空脱気することにより、材料がより微細孔内部へ入り込み易くすることができる。一方、接触角が90°以上の場合は、図6(b)に示すように埋め込み材料が微細孔内へ入り込みにくいため、外部から加圧する必要がある。 Moreover, it is preferable that the contact angle between the surface of the fine pores of the carbon powder to be used and the embedded material is 90 ° or less. For that purpose, you may add the process of lowering a contact angle using surfactant, such as Triton X-100. In the case of a material having a contact angle with carbon in the micropores of 90 ° or less (a material having water repellency), as shown in FIG. 6A, the material enters the pores due to surface tension (Washburn Formula P = −4γcos θ / d (P: pressure, γ: surface tension, θ: contact angle, d: pore diameter)). Further, the material can be more easily penetrated into the fine holes by vacuum degassing with an evaporator or the like. On the other hand, when the contact angle is 90 ° or more, as shown in FIG. 6B, the embedding material is difficult to enter into the fine hole, so that it is necessary to pressurize from the outside.
さらに、他の物質としては、パーフルオロスルホン酸系ポリマー(Nafion)、カーボン微粒子、金属微粒子、セラミック微粒子やそれらを分散させた溶液を用いることができる。これらの他の物質をカーボン微粒子に決着させる材料として、低分子のパーフルオロスルホン酸系ポリマー(商標名:Nafion)材料を用いたが、この他にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデンをはじめとするフッ素樹脂を分散させた溶液を、上記微粒子と合わせて用いることや、これら決着剤を用いることにより微細孔の入口部分を確実に塞ぐことができる。 Furthermore, as other substances, perfluorosulfonic acid polymer (Nafion), carbon fine particles, metal fine particles, ceramic fine particles or a solution in which they are dispersed can be used. Low molecular weight perfluorosulfonic acid polymer (trade name: Nafion) material was used as a material for fixing these other substances to carbon fine particles. In addition, polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride were used. By using a solution in which a fluororesin is first dispersed in combination with the fine particles, or by using these fixatives, the entrance portion of the micropores can be reliably closed.
また、上記実施例2では、触媒金属塩を酸化または還元する手法により、触媒金属を担持させたため、結着剤を不要したり使用量を少なくすることができる。 In Example 2, since the catalyst metal is supported by a technique of oxidizing or reducing the catalyst metal salt, a binder is not required or the amount used can be reduced.
さらに、上述の実施の形態では、電解質膜1の厚さ、触媒層2,3の厚さ、カーボン層4,5の厚さ、セパレータの厚さを設定したが、これらの厚さに限定されるものではなく、設計変更が可能である。 Furthermore, in the above-described embodiment, the thickness of the electrolyte membrane 1, the thickness of the catalyst layers 2 and 3, the thickness of the carbon layers 4 and 5, and the thickness of the separator are set, but the thickness is limited to these. The design can be changed.
本発明に係る燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法および燃料電池は、車載用の燃料電池以外の各種の用途で用いる燃料電池にも適用できる。 The fuel cell electrode, the fuel cell electrode manufacturing method, and the fuel cell according to the present invention can also be applied to fuel cells used in various applications other than in-vehicle fuel cells.
1 電解質膜
2,3 触媒層
4,5 カーボン層
6,7 ガス拡散層
8,9 セパレータ
10 燃料電池セル
11 第1カーボン微粒子
11A 微細孔
12 第2カーボン微粒子
14 白金
100 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2,3
Claims (10)
前記基材用カーボン微粒子の表面に触媒材料を担持させる工程と、
前記触媒材料を担持させた前記基材用カーボン微粒子と、該基材用カーボン微粒子よりも粒径の小さい充填用材料微粒子とを、イオン伝導性材料を含む溶液もしくはフッ素樹脂を分散させた溶液に混ぜてペースト状にする工程と、
前記ペースト状の材料を成形して、燃料電池用電極の少なくとも一部をなすように形成することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。 A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
A step of supporting a catalyst material on the surface of the carbon fine particles for the substrate;
The base material carbon fine particles supporting the catalyst material and the filling material fine particles having a particle diameter smaller than the base material carbon fine particles are dispersed in a solution containing an ion conductive material or a solution in which a fluororesin is dispersed. A process of mixing and pasting,
A method for producing a fuel cell electrode, comprising forming the paste material to form at least a part of a fuel cell electrode.
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