JP2006236631A - Polymer electrolyte fuel cell and vehicle mounting the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。より詳細には、固体高分子電解質膜と触媒層との界面近傍で生じやすい劣化を防止する技術に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell. More specifically, the present invention relates to a technique for preventing deterioration that is likely to occur near the interface between a solid polymer electrolyte membrane and a catalyst layer.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が車両用駆動源および定置型電源として注目されている。燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも低温(通常100℃以下)で作動可能な固体高分子型燃料電池(PEFC)が注目を集め、近年自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる。PEFCの用途としては、車両用駆動源や定置型電源が検討されているが、これらの用途に適用されるためには、長期間に渡る耐久性が求められる。 In recent years, fuel cells have attracted attention as vehicle drive sources and stationary power sources in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems. Fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte, the type of electrode, and the like, and representative types include alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that can operate at a low temperature (usually 100 ° C. or less) attracts attention, and in recent years, development and practical application as a low-pollution power source for automobiles is progressing. As a PEFC application, a vehicle drive source and a stationary power source have been studied, but in order to be applied to these applications, durability over a long period of time is required.
PEFCの構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、「MEA」とも記載する)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、一般的には、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層が積層した構造を有する。電池反応は、触媒、触媒を担持する担体、およびアイオノマー(イオン伝導性高分子)からなる触媒層において進行する。このため、触媒層の劣化を防止することは、PEFCの耐久性を高める上で重要な課題となっている。 The PEFC generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA generally has a structure in which a gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated. The cell reaction proceeds in a catalyst layer comprising a catalyst, a carrier supporting the catalyst, and an ionomer (ion conductive polymer). For this reason, preventing deterioration of the catalyst layer is an important issue in enhancing the durability of PEFC.
しかしながら、触媒、担体、およびアイオノマーからなる三相構造は、カーボン腐食やアイオノマー分解劣化によって電極構造が変形し易い。電極構造が変化すると、ガスの拡散性及び生成水の排出性が低下し、発電性能も低下してしまう。また、電池の耐久性低下の原因ともなる。特に、固体高分子電解質膜とカソード触媒層との界面付近では、酸化還元反応により、カーボンの腐食や触媒金属の固体高分子電解質膜への溶出が生じやすく、PEFCの発電特性を低下させる原因となる。そこで、触媒層の劣化を防止する技術の開発が所望されている。 However, the three-phase structure composed of a catalyst, a carrier, and an ionomer tends to deform the electrode structure due to carbon corrosion and ionomer degradation degradation. When the electrode structure is changed, gas diffusibility and generated water discharge properties are lowered, and power generation performance is also lowered. It also causes a decrease in battery durability. In particular, in the vicinity of the interface between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer, carbon oxidation or elution of the catalyst metal into the solid polymer electrolyte membrane is likely to occur due to the oxidation-reduction reaction, which causes the power generation characteristics of PEFC to deteriorate. Become. Therefore, development of a technique for preventing deterioration of the catalyst layer is desired.
触媒層の耐久性を高める技術としては、例えば、触媒層が2層構造であり、固体高分子電解質膜側の触媒層の気体移動抵抗が、ガス拡散層側の触媒層の気体移動抵抗よりも大きいPEFCが開示されている(特許文献1参照)。このような構成により、カソード触媒層におけるアイオノマーの分解を抑制することが図られている。
本発明の目的は、触媒層の劣化を防止する手段を提供し、もって優れた発電特性が長期間に亘って持続するPEFCの実現に貢献することである。 An object of the present invention is to provide a means for preventing the deterioration of the catalyst layer, thereby contributing to the realization of PEFC in which excellent power generation characteristics are sustained over a long period of time.
本発明は、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、およびカソード触媒層を有する固体高分子型燃料電池であって、前記カソード触媒層と前記固体高分子電解質膜との間に、前記カソード触媒層と前記固体高分子電解質膜との界面付近で生じやすいカーボン担体の劣化および前記カソード触媒層から前記固体高分子電解質膜への触媒の溶出を抑制する緩衝層が形成されてなる、固体高分子型燃料電池である。 The present invention provides a polymer electrolyte fuel cell having an anode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer, wherein the cathode catalyst layer is interposed between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. A solid polymer type in which a buffer layer is formed to suppress the deterioration of the carbon support that is likely to occur near the interface between the cathode polymer layer and the solid polymer electrolyte membrane, and the elution of the catalyst from the cathode catalyst layer to the solid polymer electrolyte membrane It is a fuel cell.
また本発明は、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、およびカソード触媒層を有する固体高分子型燃料電池であって、前記カソード触媒層と前記固体高分子電解質膜との間に、触媒、前記触媒を担持するカーボン担体、およびアイオノマーからなり、前記カソード触媒層よりもアイオノマーの含有比が高い緩衝層が形成されてなる、固体高分子型燃料電池である。 The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell having an anode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer, wherein the catalyst, A solid polymer fuel cell comprising a carbon support carrying a catalyst and an ionomer, wherein a buffer layer having a higher ionomer content ratio than the cathode catalyst layer is formed.
カソード触媒層と前記固体高分子電解質膜との間に緩衝層を配置することによって、PEFCの耐久性を向上させ、発電特性を長期間に亘って持続させることが可能である。 By disposing a buffer layer between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, it is possible to improve the durability of the PEFC and maintain the power generation characteristics over a long period of time.
カソード触媒層内で起こる酸素還元反応は、プロトン濃度が高い固体高分子電解質膜とカソード触媒層との界面付近で著しく生じる。このため、起動停止や電位サイクルに起因して生じる、カーボン担体の酸化腐食や白金の溶出といった劣化は、該界面付近で顕著に起きる。したがって、界面付近での反応を抑制し、触媒層全体で反応が進むように調整することができれば、発電特性および耐久性を向上させうる。 The oxygen reduction reaction that occurs in the cathode catalyst layer significantly occurs near the interface between the solid polymer electrolyte membrane having a high proton concentration and the cathode catalyst layer. For this reason, deterioration such as oxidative corrosion of the carbon support and elution of platinum caused by start / stop and potential cycle occurs remarkably in the vicinity of the interface. Therefore, power generation characteristics and durability can be improved if the reaction in the vicinity of the interface can be suppressed and the reaction can be progressed in the entire catalyst layer.
そこで、本発明では、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との間に、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との界面付近で生じやすいカーボン担体の劣化およびカソード触媒層から固体高分子電解質膜への触媒の溶出を抑制する緩衝層が形成される。図1は、本発明のPEFCの一実施形態の断面模式図である。図に示すように、PEFC10は、固体高分子電解質膜100の両側に、酸化剤が供給されるカソード(空気極)、および水素ガスが供給されるアノード(燃料極)が配置される。カソードおよびアノードは、それぞれ、触媒層110およびガス拡散層120を有する。ガス拡散層120の外部には、セパレータ130および集電体140が配置される。セパレータ130には、流路135が形成される。カソード側の流路には空気などの酸化剤が供給され、アノード側の流路には水素ガスが供給される。そして、本発明のPEFCにおいては、カソード触媒層110と固体高分子電解質膜100との間に、緩衝層150が形成される。
Therefore, in the present invention, the deterioration of the carbon carrier that easily occurs near the interface between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer to the solid polymer electrolyte membrane. A buffer layer is formed to suppress the elution of the catalyst. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of the PEFC of the present invention. As shown in the figure, PEFC 10 has a cathode (air electrode) supplied with an oxidant and an anode (fuel electrode) supplied with hydrogen gas on both sides of solid
緩衝層150は、固体高分子電解質膜100とカソード触媒層110との界面付近に反応が集中することを緩和し、カソード触媒層110に含まれるカーボン担体の劣化やカソード触媒層110から固体高分子電解質膜100への触媒の溶出を抑制する機能を果たす。このような機能を有する緩衝層150により、触媒層の耐久性が向上し、PEFCの稼動初期から長期間経過後まで高いガス拡散性が確保され、低電流密度〜高電流密度の範囲で高い発電性能が得られる。
The
PEFCの構成は、図1に示す実施態様に限定されるものではない。例えば、触媒層110とガス拡散層120との間には、フラッディング現象を防止するための撥水層が配置される。また、緩衝層150は、図1に示すようにカソード触媒層110と固体高分子電解質膜100との間の全範囲に存在してもよいし、後述するように、固体高分子電解質膜100とカソード触媒層110との界面において、好ましくない反応が集中しがちな部位にのみ緩衝層150を形成してもよい。
The configuration of the PEFC is not limited to the embodiment shown in FIG. For example, a water repellent layer for preventing a flooding phenomenon is disposed between the
緩衝層150の組成をカソード触媒層110と異ならしめることにより、酸化還元反応を緩和することが可能である。好ましくは、カソード触媒層110と固体高分子電解質膜100との間に形成される緩衝層150は、触媒、前記触媒を担持するカーボン担体、およびアイオノマーからなり、カソード触媒層110よりもアイオノマーの含有比が高い。このように組成を制御することにより、触媒層におけるカーボン担体の劣化や触媒金属の溶出の抑制を図ることができる。緩衝層150は、触媒を含むため、カソードにおける酸化還元反応がある程度は進行する。しかし、アイオノマーの含有比が高いため、カソード触媒層110と固体高分子電解質膜100とが直接接触する場合の界面付近に比べて、酸化還元反応が穏やかである。このため、カソード触媒層110と固体高分子電解質膜100との界面で進行しがちな、カーボン担体の腐食やカソード触媒層110から固体高分子電解質膜100への触媒金属の溶出が抑制される。
By making the composition of the
より具体的には、緩衝層150におけるアイオノマー(I)/カーボン担体(C)の質量比が、好ましくはI/C=1.0〜4.0であり、より好ましくはI/C=1.0〜2.0である。この範囲とすることにより、酸化還元反応活性を穏やかなものとすることができる。一方、カソード触媒層におけるアイオノマー(I)/カーボン担体(C)の質量比は、好ましくはI/C=0.7〜0.95であり、より好ましくはI/C=0.7〜0.90である。アイオノマー量を制御することにより、固体高分子電解質膜−緩衝層−触媒層−ガス拡散層の方向に、撥水性の勾配を形成し、水の移動を促進することが可能である。緩衝層におけるアイオノマーとカーボン担体との比率の算出方法は、特に限定されない。例えば、緩衝層を作製する際に用いるアイオノマーおよびカーボン担体の量から算出することができる。
More specifically, the mass ratio of ionomer (I) / carbon support (C) in the
また、緩衝層150における金属触媒の量が少ないと、カソード触媒層110から金属触媒の溶出が発生したとしても、緩衝層150において金属触媒がトラップされやすい。この機構により、金属触媒が固体高分子電解質膜100に溶出・析出し、発電特性を低下させる弊害を抑制できる。
If the amount of the metal catalyst in the
好ましくは、緩衝層150における触媒の含有量は、触媒および担体の総量に対して5〜20質量%である。通常、カソード触媒層110における触媒の含有量は、触媒および担体の総量に対して30〜70質量%である。緩衝層150における触媒担持量を低下させることにより、カソード触媒層110から溶出した金属が緩衝層150においてトラップされやすくなる。
Preferably, the content of the catalyst in the
同様の理由により、緩衝層150における担体としては、比表面積の高い担体を用いることが好ましい。緩衝層150における担体の比表面積が大きいと、カソード触媒層110から金属触媒の溶出が発生したとしても、緩衝層150において金属触媒がトラップされやすい。この機構により、金属触媒が固体高分子電解質膜100に溶出・析出し、発電特性を低下させる弊害を抑制できる。
For the same reason, it is preferable to use a carrier having a high specific surface area as the carrier in the
具体的には、緩衝層150における担体の比表面積は、好ましくは300〜3000m2/gであり、より好ましくは300〜1200m2/gである。担体の比表面積は、公知の測定方法によって算出することができる。例えば、常法である窒素ガス吸着法(BET比表面積測定法)により比表面積が算出される。担体の材質としては、特に限定されないが、カーボンブラックが挙げられる。
Specifically, the specific surface area of the carrier in the
一方、カソード触媒層110における担体は、80〜300m2/gの比表面積を有するグラファイト化カーボンブラックであることが好ましい。グラファイト化カーボンブラックを用いることにより、固体高分子電解質膜−緩衝層−触媒層−ガス拡散層の方向に、撥水性の勾配を形成し、水の移動を促進することが可能である。
On the other hand, the support in the
緩衝層150の厚みは、好ましくは0.5〜2.0μmである。緩衝層150は、カソード触媒層110に比べてアイオノマー比率が高いので、保水性が高く、ガス透過性が低下する傾向が生じる。そこで、緩衝層150の厚みを0.5〜2.0μmと薄くして、十分な水の移動性やガス透過性を確保することが好ましい。なお、ここでいう「緩衝層の厚み」とは、緩衝層の平均厚みを意味する。
The thickness of the
緩衝層150に含まれる触媒の種類は、特に限定されず、白金、白金−イリジウム合金、白金−イリジウム−コバルト合金などが挙げられる。好ましくは、白金−イリジウム合金、白金−イリジウム−コバルト合金などの、白金およびイリジウムを含む合金が用いられる。アイオノマー量が高い緩衝層150の水分量は、固体高分子電解質膜側から移動してくる水分の影響、および酸化還元反応で生成した反応水の影響により、カソード触媒層110よりも高くなる傾向があるが、触媒層でのカーボン腐食や触媒金属の溶出は、いずれも水の影響が大きい。このため、緩衝層150における水の量を減少させることが好ましい。白金およびイリジウムを含む合金を用いることにより、低電位で水を電気分解し、カソード触媒層110の水分量を低減することが可能である。
The type of the catalyst contained in the
緩衝層150が配置される領域は、カソード触媒層110と固体高分子電解質膜100との間の全領域であってもよいし、一部であってもよい。一部に緩衝層150が配置される場合には、緩衝層は、カソード触媒層110と固体高分子電解質膜100との間の、カソード触媒層110に供給されるガスが通過するガス流路の出口側から1/3〜3/4の範囲に存在することが好ましい。すなわち、セパレータ130側からカソード触媒層110側に見たときに、ガス流路の出口側に対応する領域に緩衝層を形成する。
The region where the
本発明のPEFCは、耐久性に優れ、長期間に渡ってPEFCを使用した場合であっても、発電特性の低下が少ない。このような特性は、長期間に渡る耐久性が求められる用途において、特に有益である。かような用途としては、車両が挙げられる。本発明のPEFCは長期間に渡って発電特性が維持されうるため、本発明のPEFCを搭載してなる車両の寿命の長期化や車両価値の向上が達成されうる。 The PEFC of the present invention is excellent in durability, and even when PEFC is used for a long period of time, the power generation characteristics are hardly deteriorated. Such characteristics are particularly beneficial in applications that require durability over a long period of time. Such applications include vehicles. Since the power generation characteristics of the PEFC of the present invention can be maintained over a long period of time, the life of a vehicle equipped with the PEFC of the present invention can be prolonged and the vehicle value can be improved.
以下、実施例を用いて、より具体的に本発明を説明する。なお、本発明が下記実施例に限定されることはない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.
(実施例1)
1.アノード触媒層の作製
アノード触媒層に配置される触媒担持担体として、白金担持カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMECを、BET表面積=800m2/g)を準備した。触媒の担持量は、触媒および担体の総量に対して50質量%であった。
Example 1
1. Preparation of Anode Catalyst Layer Platinum-supported carbon black (Ketjen Black TM EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) was prepared as a catalyst-supported carrier disposed in the anode catalyst layer. The amount of the catalyst supported was 50% by mass with respect to the total amount of the catalyst and the carrier.
このアノード電極触媒(a1)の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製5wt%Nafion(登録商標)含有)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒(a1)のカーボン質量に対する固形分質量比が、I/C=0.9となるように両者を用いた。 Five times the amount of purified water was added to the mass of the anode electrode catalyst (a1), and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 5 wt% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) was added. For the content of the polymer electrolyte in the solution, both were used such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst (a1) was I / C = 0.9.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.25mg/cm2となるように調整した。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed anode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.25 mg / cm 2 .
2.カソード触媒層の作製
カソード触媒層に配置される触媒担持担体として、白金担持カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMECを、2700℃で10時間黒鉛化処理することにより、黒鉛化処理されたカーボンブラック(グラファイト化ケッチェンブラック、BET表面積=125m2/g))を準備した。触媒の担持量は、触媒および担体の総量に対して50質量%であった。また、アイオノマーとしては、DuPont社製20wt%Nafion(登録商標)含有を準備した。
2. Preparation of Cathode Catalyst Layer Platinum-supported carbon black (Ketjen Black TM EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) is graphitized at 2700 ° C. for 10 hours as a catalyst-supported carrier disposed in the cathode catalyst layer. Treated carbon black (graphitized ketjen black, BET surface area = 125 m 2 / g) was prepared. The amount of the catalyst supported was 50% by mass with respect to the total amount of the catalyst and the carrier. Moreover, as ionomer, 20 wt% Nafion (registered trademark) made by DuPont was prepared.
このカソード電極触媒(c1)の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20wt%Nafion(登録商標)含有)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒(c1)のカーボン質量に対する固形分質量比が、I/C=0.9となるように両者を用いた。 Five times the amount of purified water was added to the mass of the cathode electrode catalyst (c1), and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 20 wt% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) was added. For the content of the polymer electrolyte in the solution, both were used so that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst (c1) was I / C = 0.9.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm2となるように調整した。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .
3.カソード緩衝層の作製
カソード緩衝層に配置される触媒担持担体として、白金担持カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製KetjenblackTMEC、BET表面積=800m2/g)を準備した。触媒の担持量は、触媒および担体の総量に対して20質量%であった。また、アイオノマーとしては、DuPont社製5wt%Nafion(登録商標)含有を準備した。このカソード緩衝層触媒(b1)の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20wt%Nafion(登録商標)含有)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、電極触媒(c1)のカーボン質量に対する固形分質量比が、I/C=2.0となるように両者を用いた。
3. Preparation of Cathode Buffer Layer Platinum-supported carbon black (Ketjenblack ™ EC, BET surface area = 800 m 2 / g manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) was prepared as a catalyst-supported carrier disposed in the cathode buffer layer. The supported amount of the catalyst was 20% by mass with respect to the total amount of the catalyst and the support. Moreover, as ionomer, 5 wt% Nafion (trademark) containing DuPont was prepared. Five times the amount of purified water was added to the mass of the cathode buffer layer catalyst (b1), and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and a solution containing a proton conductive polymer electrolyte (containing 20 wt% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) was added. For the content of the polymer electrolyte in the solution, both were used such that the mass ratio of the solid content to the carbon mass of the electrode catalyst (c1) was I / C = 2.0.
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これを上記カソード電極触媒層が形成されたポリテトラフルオロエチレンシートにスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード緩衝層のサイズは、5cm×5cmとした。 The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of catalyst slurry corresponding to a desired thickness was printed on the polytetrafluoroethylene sheet having the cathode electrode catalyst layer formed thereon by screen printing, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed cathode buffer layer was 5 cm × 5 cm.
4.固体高分子電解質膜との接合
固体高分子電解質膜としてNafionTM111(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード緩衝層、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスを行った。
4). Bonding with a solid polymer electrolyte membrane As a solid polymer electrolyte membrane, Nafion ™ 111 (film thickness 25 µm) and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet were superposed. At that time, an anode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, a cathode buffer layer, and a cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes.
なお、カソード触媒層は、厚さが約10μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.4mg、カソード緩衝層は、厚さが約1μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.05mg、電極面積は25cm2とした。アノード触媒層は、厚さが約6μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.25mg、電極面積は25cm2とした。 The cathode catalyst layer has a thickness of about 10 μm, the amount of Pt supported is 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the cathode buffer layer has a thickness of about 1 μm and the amount of Pt supported is about 1 cm 2 of the apparent electrode area. 0.05 mg and the electrode area were 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a thickness of about 6 μm, the amount of Pt supported was 0.25 mg per 1 cm 2 of apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 .
5.PEFCの性能評価
カソード触媒層およびカソード緩衝層、ならびにアノード触媒層が形成された積層体の両面にガス流路付きガスセパレータを配置し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.6℃および相対湿度60%、空気は54.8℃および相対湿度50%、セル温度は70℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。
5. PEFC performance evaluation A gas separator with a gas flow path is placed on both sides of the laminate on which the cathode catalyst layer, cathode buffer layer, and anode catalyst layer are formed, and sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates for evaluation. A single cell was used. In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as a fuel to the anode side, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, hydrogen was set to 58.6 ° C. and relative humidity 60%, air was set to 54.8 ° C. and relative humidity 50%, and the cell temperature was set to 70 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 40%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage.
続いて、60秒間発電した後、発電を停止した。停止後、水素及び空気の供給を停止し、空気で単セルを置換し50秒間待機した。その後、10秒間アノード側に水素ガスを上記利用率の1/5で供給した。その後、アノード側に水素ガス、カソード側に空気を上記と同様の条件で供給し、再度、1.0A/cm2の電流密度で60秒間発電した。また、この時の負荷電流は30秒間で0A/cm2から1A/cm2に増大させた。この発電・停止動作を5000回繰り返した後の、1.0Aでの出力をセル電圧を測定した。PEFCの構成および結果を表1に示す。 Subsequently, after generating power for 60 seconds, power generation was stopped. After stopping, the supply of hydrogen and air was stopped, the single cell was replaced with air, and the system was on standby for 50 seconds. Thereafter, hydrogen gas was supplied to the anode side for 10 seconds at 1/5 of the above utilization rate. Thereafter, hydrogen gas was supplied to the anode side and air was supplied to the cathode side under the same conditions as described above, and power was generated again at a current density of 1.0 A / cm 2 for 60 seconds. The load current at this time was increased from 0 A / cm 2 to 1 A / cm 2 in 30 seconds. After this power generation / stop operation was repeated 5000 times, the cell voltage was measured for the output at 1.0 A. The configuration and results of PEFC are shown in Table 1.
(実施例2)
カソード緩衝層の厚みを0.5μmにした以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して、実施例1と同様に、電位サイクル試験を5000回行った後の発電性能を評価したところ0.620Vであった。PEFCの構成および結果を表1に示す。
(Example 2)
A PEFC was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the cathode buffer layer was 0.5 μm. As with Example 1, the power generation performance after 5000 potential cycle tests were evaluated on the PEFC for evaluation was 0.620V. The configuration and results of PEFC are shown in Table 1.
(実施例3)
カソード緩衝層の厚みを2.0μmにした以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して、実施例1と同様に、電位サイクル試験を5000回行った後の発電性能を評価したところ0.613Vであった。PEFCの構成および結果を表1に示す。
(Example 3)
A PEFC was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the cathode buffer layer was 2.0 μm. For this evaluation PEFC, the power generation performance after conducting the potential cycle test 5000 times in the same manner as in Example 1 was 0.613 V. The configuration and results of PEFC are shown in Table 1.
(比較例1)
カソード緩衝層を形成しない以外は、実施例1と同様にしてPEFCを作製した。この評価用PEFCに対して、実施例1と同様に、電位サイクル試験を5000回行った後の発電性能を評価したところ0.575Vであった。PEFCの構成および結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
A PEFC was produced in the same manner as in Example 1 except that the cathode buffer layer was not formed. As with Example 1, the power generation performance after 5000 potential cycle tests were evaluated on this evaluation PEFC was 0.575V. The configuration and results of PEFC are shown in Table 1.
表1からは、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との間に緩衝層を形成することによって、燃料電池の耐久性が向上し、長期間に亘って優れた発電特性が持続することがわかる。 Table 1 shows that by forming a buffer layer between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, the durability of the fuel cell is improved and excellent power generation characteristics are maintained over a long period of time. .
本発明のPEFCは、各種動力源として用いられる。耐久性に優れる本発明のPEFCは、例えば、車両の動力源として用いられる。 The PEFC of the present invention is used as various power sources. The PEFC of the present invention that is excellent in durability is used as a power source of a vehicle, for example.
10…PEFC、100…固体高分子電解質膜、110…触媒層、120…ガス拡散層、130…セパレータ、135…流路、140…集電体、150…緩衝層。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記カソード触媒層と前記固体高分子電解質膜との間に、前記カソード触媒層と前記固体高分子電解質膜との界面付近で生じやすいカーボン担体の劣化および前記カソード触媒層から前記固体高分子電解質膜への触媒の溶出を抑制する緩衝層が形成されてなる、固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell having an anode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer,
Deterioration of the carbon carrier that tends to occur near the interface between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, and from the cathode catalyst layer to the solid polymer electrolyte membrane A polymer electrolyte fuel cell, in which a buffer layer for suppressing elution of the catalyst is formed.
前記カソード触媒層と前記固体高分子電解質膜との間に、触媒、前記触媒を担持するカーボン担体、およびアイオノマーからなり、前記カソード触媒層よりもアイオノマーの含有比が高い緩衝層が形成されてなる、固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell having an anode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer,
Between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane, a buffer layer comprising a catalyst, a carbon carrier supporting the catalyst, and an ionomer and having a higher ionomer content than the cathode catalyst layer is formed. , Solid polymer fuel cell.
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