JP2007122938A - 燃料電池用膜/電極接合体およびその製造方法ならびにそれを備えた燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】陽イオン交換膜の少なくとも一方の面に、導電性多孔質層と導電層と触媒層とを順に接合した電極を前記触媒層が陽イオン交換膜と接するように接合した燃料電池用膜/電極接合体において、導電性多孔質層における導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合をA(質量%)、導電層における炭素材料に対する撥水剤の割合をB(質量%)、触媒層における炭素材料に対する撥水剤の割合をC(質量%)とした時、A<B<Cとする。
【選択図】図1
Description
他方の電極はこれと同じ構造でもよいし、陽イオン交換膜に触媒層と導電性多孔質層とを接合した構造としてもよい。
カソ−ド:O2+4H++4e−→2H2O
全反応:2H2+O2→2H2O
また、この膜/電極接合体を備えるDMFCは、例えば、アノ−ドに燃料としてメタノール水溶液、カソ−ドに酸化剤として酸素を供給することによって、下記のような電気化学反応が進行するので、電力を発生させることができる。
カソード:3/2O2+6H++6e−→3H2O
全反応:CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
これらの反応からわかるように、PEFCやDMFCのカソードでは水が生成し、生成した水が電極内に蓄積し、反応が進まなくなるという「フラッディング現象」のために、燃料電池のセル電圧が低下するという問題がある。
[実施例1]
カソードの作製
まず、第1の工程では、導電性多孔質基材(TGP−H−090、東レ社製)を5.0cm×5.0cmの大きさに裁断したのちに、この導電性多孔質基材を撥水剤(PTFE30−J、デュポンフロロケミカル社製)を3質量%含むディスパージョン中に1分間浸漬し、自然乾燥させ、撥水性の導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは5質量%である。
まず、導電性多孔質基材(TGP−H−090、東レ社製)を5.0cm×5.0cmの大きさに裁断したのちに、その基材を撥水剤(PTFE30−J、デュポンフロロケミカル社製)を6質量%含むディスパージョンに1分間浸し、自然乾燥させた。
本実施例で用いる膜/電極接合体は、カソードおよびアノードを、それぞれの触媒層が陽イオン交換膜と接するように、陽イオン交換膜(ナフィオン115、厚み125μ、デュポン社製)の両側に加熱圧着することによって製作した。加熱圧着条件は、プレス面の温度を150℃とし、圧力100kgf/cm2で1分間保持した。この接合体を一対のガスフロープレートで挟持することによって、実施例1のDMFC1とした。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤7質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは10質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤15質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは20質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤30質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは50質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤60質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは70質量%である。
カソードは実施例2と同じものを用いた。したがって、導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは10質量%であり、導電層では、炭素材料に対する撥水剤の割合Bは30質量%であり、カソード用触媒層に含まれる炭素材料に対する撥水剤の割合Cは80質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤2質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは4質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤25質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を2回浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは80質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤15質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を2回浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは20質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤25質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは40質量%である。
つぎの手順でカソードを作製した。まず、撥水剤25質量%を含むディスパージョン中に導電性多孔質基材を浸漬したこと以外は実施例1と同様にして、導電性多孔質層を作製した。得られた導電性多孔質層では、導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは40質量%である。
実施例1〜8および比較例1〜3で作製したDMFC1〜11を運転装置に設置し、アノードにはメタノール水溶液(1.0mol/l、4.0ml/min)、カソードには空気(500ml/min)を供給し、DMFCの温度70℃および電流密度100mA/cm2で連続運転させた。DMFCの耐久性能は、連続運転開始時の運転開始から1分目のセル電圧から0.1V低下するまでの時間を測定することによって評価した。連続運転試験の結果を表1に示す。
[実施例9]
カソードには、実施例1で作製したのと同じ三層構造のカソードを用いた。したがって、カソードにおいて、導電性多孔質層では導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合Aは5質量%、導電層では炭素材料に対する撥水剤の割合Bは10質量%、触媒層では炭素材料に対する撥水剤の割合Cは20質量%である。
実施例5で作製したのと同じ三層構造のカソードと、実施例9で作製したのと同じ二層構造のアノードを用い、その他の条件は実施例1と同様にして、実施例10の膜/電極接合体およびPEFC2を製作した。
実施例7で作製したのと同じ三層構造のカソードと、実施例9で作製したのと同じ二層構造のアノードを用い、その他の条件は実施例1と同様にして、実施例11の膜/電極接合体およびPEFC3を製作した。
実施例8で作製したのと同じ三層構造のカソードと、実施例9で作製したのと同じ二層構造のアノードを用い、その他の条件は実施例1と同様にして、実施例12の膜/電極接合体およびPEFC4を製作した。
比較例1で作製したのと同じ三層構造のカソードと、実施例9で作製したのと同じ二層構造のアノードを用い、その他の条件は実施例1と同様にして、比較例4の膜/電極接合体およびPEFC5を製作した。
比較例2で作製したのと同じ三層構造のカソードと、実施例9で作製したのと同じ二層構造のアノードを用い、その他の条件は実施例1と同様にして、比較例5の膜/電極接合体およびPEFC6を製作した。
比較例3で作製したのと同じ三層構造のカソードと、実施例9で作製したのと同じ二層構造のアノードを用い、その他の条件は実施例1と同様にして、比較例6の膜/電極接合体およびPEFC7を製作した。
2 導電層
3 触媒層
4 カソード
5 アノード
6 陽イオン交換膜
Claims (3)
- 陽イオン交換膜の少なくとも一方の面に、導電性多孔質層と導電層と触媒層とを順に接合した電極を前記触媒層が陽イオン交換膜と接するように接合し、前記導電性多孔質層が導電性多孔質基材と撥水剤とを含み、前記導電層が炭素材料と撥水剤とを含み、前記触媒層が炭素材料と触媒金属と陽イオン交換樹脂と撥水剤とを含む燃料電池用膜/電極接合体において、前記導電性多孔質層における導電性多孔質基材に対する撥水剤の割合をA(質量%)、前記導電層における炭素材料に対する撥水剤の割合をB(質量%)、前記触媒層における炭素材料に対する撥水剤の割合をC(質量%)とした時、A<B<Cであることを特徴とする燃料電池用膜/電極接合体。
- 導電性多孔質基材を撥水処理して導電性多孔質層を作製する第1の工程と、炭素材料と撥水剤とを含むスラリーを前記導電性多孔質層の片面に塗布・乾燥して導電層を形成する第2の工程と、前記片面に導電層を形成した導電性多孔質層を熱処理して導電性多孔質層/導電層接合体を得る第3の工程と、触媒担持カーボンと陽イオン交換樹脂と撥水剤とを含むスラリーを、前記導電性多孔質層/導電層接合体の導電層上に塗布・乾燥して触媒層を接合する第4の工程とを経ることを特徴とする燃料電池用膜/電極接合体の製造方法。
- 請求項1に記載の燃料電池用膜/電極接合体または請求項2に記載の製造方法で得られた燃料電池用膜/電極接合体を備えたことを特徴とする燃料電池。
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