JP2007026719A - Method for forming catalyst layer of fuel cell, and membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する触媒層形成方法に係り、特に触媒層に含まれる白金量を固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように変化させる燃料電池の触媒層形成方法及びその方法によって形成された膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a catalyst layer forming method for forming a catalyst layer on a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell, and in particular, a fuel that changes the amount of platinum contained in the catalyst layer so as to decrease with increasing distance from the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a battery catalyst layer forming method and a membrane electrode assembly formed by the method.
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され、さらにその外側にガス拡散層が形成されている。このように形成された燃料電池セルはさらに複数積層されて燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックでは、構成部品の電気的接触抵抗を低減するためやガスのシール性を保持するために積層方向へ恒常的に締結圧をかける必要がある。 In a fuel cell of a solid polymer fuel cell, a catalyst layer is formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer is formed on the outer side thereof. A plurality of fuel cells thus formed are further stacked to constitute a fuel cell stack. In this fuel cell stack, it is necessary to constantly apply a fastening pressure in the stacking direction in order to reduce the electrical contact resistance of the components and to maintain the gas sealing performance.
ところが、恒常的に締結圧をかけていると、ガス拡散層を構成するカーボンペーパーやカーボンクロスの針状突起物が高分子電解質膜まで貫通して微小短絡を発生させてしまうおそれがあった。 However, when the fastening pressure is constantly applied, there is a possibility that the carbon paper or carbon cloth needle-like projections constituting the gas diffusion layer penetrate to the polymer electrolyte membrane and cause a micro short circuit.
そこで、触媒層を多層とすることにより針状突起物の侵入を防止するようにした燃料電池が提案されている(特許文献1参照)。 In view of this, a fuel cell has been proposed in which the catalyst layer is multilayered to prevent the needle-like protrusions from entering (see Patent Document 1).
この従来例では多層にした触媒層において、固体高分子電解質膜に接する側の層を緻密な層にすることによって微小短絡を防止するとともに、ガス拡散層に接する側の層を粗密な層にしてガス拡散層との接合性を向上させている。
一般的な触媒層は、白金を触媒として担持したカーボン粒子が主成分となっているが、この触媒の白金のうち固体高分子電解質膜に近い部分の白金が最も反応に寄与し、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって反応に寄与しなくなっていく傾向にある。 The general catalyst layer is mainly composed of carbon particles carrying platinum as a catalyst. Of the platinum in this catalyst, platinum in the portion closest to the solid polymer electrolyte membrane contributes most to the reaction, and the solid polymer. As the distance from the electrolyte membrane increases, the reaction tends not to contribute.
しかしながら、上述した従来の燃料電池の製造方法では、触媒層を多層にしてはいるものの白金量を変化させていないので、触媒層のうちの緻密な層を厚くすると反応に寄与しない無駄な白金が増加し、コスト増になるという問題点があった。 However, in the conventional fuel cell manufacturing method described above, the amount of platinum is not changed although the catalyst layer is multi-layered. There was a problem that the cost increased.
上述した課題を解決するために、本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法は、燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第1層を形成し、この第1層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けて第2層を形成し、この第2層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第3層を形成することによって触媒層を形成することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell catalyst layer forming method according to the present invention is a fuel cell catalyst layer forming method in which a catalyst layer is formed on a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell, wherein the solid state The first layer is formed by spraying porous carbon particles carrying platinum on the surface of the polymer electrolyte membrane. The porous carbon particles carrying platinum on the first layer and the non-platinum carrying platinum. The catalyst layer is formed by spraying the porous carbon particles simultaneously to form the second layer, and spraying the non-porous carbon particles carrying platinum on the second layer to form the third layer. It is characterized by forming.
また、本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体であって、前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第1層と、この第1層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けることによって形成された第2層と、この第2層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第3層とを備えることを特徴とする。 Further, the membrane electrode assembly according to the present invention is a membrane electrode assembly in which a catalyst layer is formed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer is made of platinum on the surface of the solid polymer electrolyte membrane. A first layer formed by spraying supported porous carbon particles, a porous carbon particle supporting platinum on the first layer, and a non-porous carbon particle supporting platinum; And a third layer formed by spraying carbon particles having a non-porous structure carrying platinum on the second layer.
本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法では、白金量の異なる層を3層積層させることによって触媒層を形成するので、触媒層の白金量を固体高分子電解質膜に近い側で多くし、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように触媒層を形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。さらに、多孔質構造のカーボン粒子で触媒層を形成するので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる
また、本発明に係る膜電極接合体についても、触媒層が白金量の異なる3層を積層させることによって形成されているので、触媒層の白金量が固体高分子電解質膜に近い側で多く、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。さらに、多孔質構造のカーボン粒子によって触媒層を形成しているので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる
In the fuel cell catalyst layer forming method according to the present invention, since the catalyst layer is formed by laminating three layers having different platinum amounts, the platinum amount of the catalyst layer is increased on the side closer to the solid polymer electrolyte membrane, The catalyst layer can be formed so as to decrease as the distance from the solid polymer electrolyte membrane increases, thereby reducing the amount of platinum that does not contribute to the reaction and thereby reducing the cost. Further, since the catalyst layer is formed of carbon particles having a porous structure, the hydrogen gas permeability is good and the output of the fuel cell can be improved. Also, in the membrane electrode assembly according to the present invention, the catalyst layer has Since it is formed by laminating three layers with different platinum amounts, the catalyst layer should be formed so that the platinum amount is close to the solid polymer electrolyte membrane and decreases as the distance from the solid polymer electrolyte membrane increases. This can reduce the amount of platinum that does not contribute to the reaction, thereby reducing the cost. Furthermore, since the catalyst layer is formed of porous carbon particles, the hydrogen gas permeability is good and the output of the fuel cell can be improved.
以下、本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法の実施例を説明する。まず、燃料電池を構成する膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の構成を図3に基づいて説明する。 Examples of the method for forming a catalyst layer of a fuel cell according to the present invention will be described below. First, the structure of a membrane electrode assembly (MEA) constituting the fuel cell will be described with reference to FIG.
図3に示すように、膜電極接合体14は、水素イオンを透過させるための固体高分子電解質膜16と、この固体高分子電解質膜16のアノード側に配置されるアノード電極17と、カソード側に配置されるカソード電極18とから構成されている。
As shown in FIG. 3, the
さらに、アノード電極17は、アノード触媒層17aとガス拡散層17bとから構成され、カソード電極18はカソード触媒層18aとガス拡散層18bとから構成されている。
Further, the
このように構成された膜電極接合体14の両面にはセパレータが配置されて燃料電池単セルを構成し、さらにこの燃料電池単セルを複数積層させて燃料電池スタックが構成されている。
Separators are arranged on both surfaces of the
次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図1は実施例1に係る燃料電池の触媒層形成方法を示す図である。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a diagram illustrating a method for forming a catalyst layer of a fuel cell according to a first embodiment.
図1に示すように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子1と、白金を担持した通常のカーボン粒子2とをノズル3から固体高分子電解質膜4の表面に吹き付けることによって触媒層5を形成している。各カーボン粒子1、2は、それぞれ高分子電解質溶液に分散されることにより触媒インクとして調整され、固体高分子電解質膜4の表面に吹き付けられて塗工される。
As shown in FIG. 1, in the fuel cell catalyst layer forming method of this embodiment, a zeolite-structured
まず、最初に固体高分子電解質膜4の表面に白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子1のみをノズル3から吹き付けて第1層5aを形成する。次に、この第1層5aの上に白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子1と白金を担持した通常のカーボン粒子2とをノズル3から同時に吹き付けて第2層5bを形成する。さらに、この第2層5bの上に白金を担持した通常のカーボン粒子2のみを吹き付けて第3層5cを形成することにより触媒層5が形成される。
First, only the zeolite-structured
このように、多孔質構造のカーボン粒子1と、非多孔質構造のカーボン粒子2とを同一のノズル3から吹き付けると、複数のカーボン粒子をコントロールして吹きつけることができるため、白金量の勾配と塗布層の厚みをコントロールすることができる。
As described above, when the
なお、白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子1は、粒子内部に空孔を多く有する多孔質構造であるため、表面積が大きくなり、白金をより多く担持することができる。本実施例ではゼオライト構造のカーボン粒子を一例として説明しているが、通常のカーボン粒子と比べて白金をより多く担持することのできる多孔質構造のカーボン粒子であれば、その他の構造のカーボン粒子であってもよい。
Since the zeolite-structured
また、白金を担持した通常のカーボン粒子2は、非多孔質構造のカーボン粒子であればよく、ゼオライト構造のカーボン粒子と比較して担持できる白金の量が少なくなるものであればよい。
Further, the
このように、ゼオライト構造のカーボン粒子1のほうが通常のカーボン粒子2よりも多く白金を担持することができるので、触媒層5を形成する3層のうち、ゼオライト構造のカーボン粒子1のみで形成された第1層5aの白金量が最も多くなり、次いで第2層5bの白金量が多くなり、通常のカーボン粒子2のみで形成された第3層5cの白金量が最も少なくなる。
Thus, since the zeolite-structured
例えば、白金量の多い第1層5aの白金量は0.3mg/cm2となり、白金量の少ない第3層5cの白金量は0.1mg/cm2となる。このようにして触媒層5では固体高分子電解質膜4に近い側で白金量が多くなり、固体高分子電解質膜4から離れるにしたがって白金量が少なくなるように形成される。通常、触媒層5では、固体高分子電解質膜4に近い部分の白金が最も反応に寄与し、固体高分子電解質膜4から離れるにしたがって反応に寄与しなくなっていくので、固体高分子電解質膜4に近い側で白金量を多くし、離れるにしたがって白金量が少なくなるように形成したことによって、反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することが可能になる。
For example, the platinum amount of the
また、ゼオライト構造のカーボン粒子1は多孔質構造なので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させる効果もある。さらに、固体高分子電解質膜4との接合力を向上させる効果も期待することができる。
In addition, since the
このようにして、固体高分子電解質膜4の片方の面に触媒層5を形成した後、さらに、もう一方の面にも触媒層5を形成する。そして、その外側にガス拡散層6を形成して図2に示すように膜電極接合体7を作成する。
Thus, after forming the
このように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、白金量の異なる層を3層積層させることによって触媒層5を形成するようにしたので、触媒層5の白金量は固体高分子電解質膜4に近い側で多く、固体高分子電解質膜4から離れるにしたがって少なくなるように触媒層5を形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。また、多孔質構造のカーボン粒子1によって触媒層5を形成するので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる。
Thus, in the catalyst layer forming method of the fuel cell of the present embodiment, the
また、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、多孔質構造のカーボン粒子1と、非多孔質構造のカーボン粒子2とを同一のノズル3から吹き付けるようにしたので、複数のカーボン粒子をコントロールして吹きつけることができ、白金量の勾配と塗布層の厚みをコントロールすることができる。
In the fuel cell catalyst layer forming method of the present embodiment, the
さらに、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された膜電極接合体は、触媒層が白金量の異なる3層を積層させることによって形成されているので、触媒層の白金量が固体高分子電解質膜に近い側で多く、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。さらに、多孔質構造のカーボン粒子によって触媒層を形成しているので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる。 Furthermore, the membrane electrode assembly produced by the fuel cell catalyst layer forming method of this example is formed by laminating three layers having different platinum amounts, so that the catalyst layer has a solid platinum amount. It can be formed so as to increase on the side closer to the polymer electrolyte membrane and decrease with distance from the solid polymer electrolyte membrane, thereby reducing the amount of platinum that does not contribute to the reaction and reducing the cost. Furthermore, since the catalyst layer is formed of carbon particles having a porous structure, the hydrogen gas permeability is good and the output of the fuel cell can be improved.
以上、本発明の燃料電池の触媒層形成方法について、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 The fuel cell catalyst layer forming method of the present invention has been described based on the illustrated embodiments. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is an arbitrary configuration having the same function. Can be replaced by something.
1…ゼオライト構造のカーボン粒子
2…通常のカーボン粒子
3…ノズル
4、16…固体高分子電解質膜
5…触媒層
5a…第1層
5b…第2層
5c…第3層
6…ガス拡散層
7、14…膜電極接合体
17…アノード電極
17a…アノード触媒層
17b、18b…ガス拡散層
18…カソード電極
18a…カソード触媒層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第1層を形成し、この第1層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けて第2層を形成し、この第2層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第3層を形成することによって触媒層を形成することを特徴とする燃料電池の触媒層形成方法。 A method for forming a catalyst layer of a fuel cell, comprising forming a catalyst layer on a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell, comprising:
The first layer is formed by spraying porous carbon particles supporting platinum on the surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the porous carbon particles supporting platinum and platinum are supported on the first layer. The second layer is formed by simultaneously spraying the nonporous structure carbon particles, and the third layer is formed by spraying the nonporous structure carbon particles supporting platinum on the second layer. A method for forming a catalyst layer for a fuel cell, comprising forming a layer.
前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第1層と、この第1層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けることによって形成された第2層と、この第2層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第3層とを備えることを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly in which catalyst layers are formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane,
The catalyst layer includes a first layer formed by spraying carbon particles having a porous structure supporting platinum on the surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a porous structure supporting platinum on the first layer. A second layer formed by simultaneously spraying carbon particles of non-porous structure supporting platinum and non-porous structure carbon particles supporting platinum, and spraying carbon particles of non-porous structure supporting platinum on the second layer A membrane electrode assembly, comprising: a third layer formed by:
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DE112010002746T5 (en) | 2009-06-29 | 2013-01-24 | Kabushiki Kaisha Equos Research | Reaction layer for fuel cell |
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- 2005-07-12 JP JP2005203393A patent/JP2007026719A/en active Pending
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