JP2007335162A - Membrane catalyst layer assembly, membrane electrode assembly, and polymer-electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜触媒層接合体、膜電極接合体および高分子電解質形燃料電池に関する。 The present invention relates to a membrane catalyst layer assembly, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.
陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質を用いた従来の高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。
ここで、図8は、従来の高分子電解質形燃料電池に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図9は、図8に示す単電池101に搭載される膜電極接合体(MEA)の基本構成の一例を示す概略断面図である。図9に示すように、膜電極接合体110においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜111の両面に、触媒(例えば白金系の金属触媒)を炭素粉末に担持させて得られる電極触媒と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含む触媒層112が形成される。これを膜触媒層接合体と呼ぶ。
A conventional polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte having cation (hydrogen ion) conductivity is an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. Power and heat are generated simultaneously.
Here, FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of a unit cell mounted on a conventional polymer electrolyte fuel cell. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane electrode assembly (MEA) mounted on the
現在、高分子電解質膜111としては、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜が使用されている。そして、触媒層112の外面には、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーを用いて、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層113が形成される。この触媒層112とガス拡散層113との組合せによりガス拡散電極(アノードまたはカソード)114が構成される。
従来の単電池101は、膜電極接合体110と、ガスケット115と、一対の板状のセパレータ116とで構成される。ガスケット115は、供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、ガス拡散電極の周囲に高分子電解質膜を挟んで配置される。このガスケットは、ガス拡散電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ、これらすべてを組み合わせたものを膜電極接合体と呼ぶこともある。
Currently, as the
A
膜電極接合体110の外側には、膜電極接合体110を機械的に固定するための一対のセパレータ116が配置される。セパレータ116の膜電極接合体110と接触する部分には、ガス拡散電極に反応ガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)を供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から電極外部に運び去るためのガス流路117、および高分子電解質形燃料電池の温度を制御するための冷却流体(例えば冷却水)を流すための冷却流体用流路118が形成される。
ガス流路117および冷却流体用流路118はセパレータ116と別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路を形成する方式が一般的である。
A pair of
Although the
このように、一対のセパレータ116で膜電極接合体110を固定し、一方のセパレータ116のガス流路117に燃料ガスを供給し、他方のセパレータ116のガス流路117に酸化剤ガスを供給することで、数十から数百mA/cm2の実用電流密度通電時において、一つの単電池101で0.7〜0.8V程度の起電力を発生させることができる。しかし、通常、高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、単電池101を必要とする個数だけ直列に連結してスタックとして使用する。
Thus, the
ガス流路117に反応ガスを供給するためには、反応ガスを供給する配管を、上記スタックにおいて使用するセパレータ116の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先を直接セパレータ116上のガス流路117につなぎ込む部材であるマニホールドが必要となる。特に反応ガスを供給する外部の配管から直接セパレータ116につなぎ込むタイプのマニホールドを、外部マニホールドと呼ぶ。
一方、より簡単な構造を有する内部マニホールドと呼ばれるものもある。内部マニホールドは、ガス流路117を形成したセパレータ116に設けられた貫通孔で構成され、ガス流路117の出入り口をこの孔に連通させて、この貫通孔から直接反応ガスをガス流路117に供給することができる。
In order to supply the reaction gas to the
On the other hand, there is a so-called internal manifold having a simpler structure. The internal manifold is configured by a through hole provided in the
ガス拡散層113は、主につぎの3つの機能を持つ。第1の機能は、ガス拡散層113の外側に位置するセパレータ116のガス流路117から、触媒層112中の電極触媒へ均一に反応ガスを供給するために、該反応ガスを拡散させる機能であり、第2の機能は、触媒層112で反応により生成した水を速やかにガス流路117に排出する機能である。
また、第3の機能は、反応に必要な電子または生成された電子を伝導する機能である。すなわち、ガス拡散層113には、高い反応ガス透過性、水分排出性および電子伝導性が必要とされる。
The
The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction or generated electrons. That is, the
一般的に、ガス拡散層113には、ガス透過性を持たせるために、電子伝導性を有する多孔質の炭素微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材が用いられている。また、水分排出性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層113の中に分散させることが行われ、さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維または炭素微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層113を構成することも行われている。
In general, the
次に、触媒層112は、主に4つの機能を持つ。第1の機能は、ガス拡散層113から供給された反応ガスを、触媒層112の反応サイトに供給する機能であり、第2の機能は、電極触媒上での反応に必要な水素イオンまたは生成された水素イオンを伝導する機能である。また、第3の機能は、反応に必要な電子または生成された電子を伝導する機能であり、第4の機能は、高い触媒性能とその広い反応面積によって電極反応を速める機能である。すなわち、触媒層112には、高い反応ガス透過性、水素イオン伝導性、電子伝導性および触媒性能が必要となる。
Next, the
一般的に、触媒層112としては、ガス透過能を持たせるために、電子伝導性を有する多孔質の導電性炭素粒子または造孔材を用いて、多孔質構造およびガスチャンネルを有する触媒層112が形成されている。また、水素イオン透過能を持たせるために、高分子電解質を触媒層112中の電極触媒近傍に分散させて水素イオンネットワークを形成することが行われている。さらに、電子伝導性を持たせるために、電極触媒の担体として導電性炭素粒子などの電子伝導性材料を用い、電子チャンネルを形成することが行われている。また、触媒性能を向上させるために、粒径が数nmの非常に微細な粒子状の金属触媒粒子を導電性炭素粒子上に担持させて得られる電極触媒を、触媒層112中に高分散させることが行われている。
In general, the
高分子電解質形燃料電池の実用化のためには、膜触媒層接合体またはこれを備えた膜電極接合体の耐久性向上および寿命向上が重要であり、様々な検討がなされている。
ここで、以上のような構成を有する高分子電解質形燃料電池の耐久性劣化の要因のひとつとして、触媒担体である導電性炭素粒子の酸化が挙げられる。高分子電解質形燃料電池用触媒担体であるカーボン粉末は電気化学的には25℃において+0.2V(vs.RHE)付近で酸化されるため、カソード側の電位である+0.7〜+0.8V(vs.RHE)においてはCO2まで酸化されて消失してしまう懸念がある。
In order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use, it is important to improve the durability and life of the membrane catalyst layer assembly or the membrane electrode assembly including the membrane catalyst layer assembly, and various studies have been made.
Here, as one of the causes of deterioration in durability of the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration, oxidation of conductive carbon particles that are catalyst carriers can be cited. Carbon powder, which is a catalyst support for a polymer electrolyte fuel cell, is electrochemically oxidized at around +0.2 V (vs. RHE) at 25 ° C., so that the potential on the cathode side is +0.7 to +0.8 V. In (vs. RHE), there is a concern that it is oxidized to CO 2 and disappears.
これに対し、例えば特許文献1においては、カーボン(導電性炭素粒子)の結晶性(黒鉛化度)を高めると耐腐食性が高まることから、かかる酸化消失を抑制することを意図して、燃料電池に高結晶性のカーボン(導電性炭素粒子)を用いることが提案されている。
しかしながら、上記特許文献1記載の技術のように、黒鉛化度の高いカーボンは表面積が小さく、このカーボン(導電性炭素粒子)を担体として用いた触媒は、白金触媒などの貴金属触媒粒子が担体上にうまく分散せず、貴金属触媒粒子の粒径が大きくなり、触媒活性が低下してしまい未だ改善の余地があった。すなわち、黒鉛化度の高いカーボン(導電性炭素粒子)を単純に担体として使用した電極触媒を単に触媒層に利用するだけでは、電池電圧が低下し十分な電池電圧が得られず、十分な電池電圧を確保しつつ十分な耐久性を有する燃料電池を得るという観点からは未だ改善の余地があった。 However, as in the technique described in Patent Document 1, carbon having a high degree of graphitization has a small surface area, and a catalyst using this carbon (conductive carbon particles) as a support has noble metal catalyst particles such as a platinum catalyst on the support. In other words, the particle size of the noble metal catalyst particles was increased and the catalytic activity was lowered, so there was still room for improvement. That is, simply using an electrode catalyst that uses carbon (conductive carbon particles) having a high degree of graphitization as a carrier simply for the catalyst layer, the battery voltage decreases and sufficient battery voltage cannot be obtained. There is still room for improvement from the viewpoint of obtaining a fuel cell having sufficient durability while securing a voltage.
本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を実現し得る膜触媒層接合体を提供することを目的とする。
また、本発明は上記本発明の膜触媒層接合体を含んでおり、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を実現し得る膜電極接合体を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、上記本発明の膜触媒層接合体および膜電極接合体のうちの何れかを搭載しており、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a membrane / catalyst layer assembly capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell having sufficient battery voltage and sufficient durability. .
The present invention also provides a membrane / electrode assembly that includes the membrane / catalyst layer assembly of the present invention and can realize a polymer electrolyte fuel cell having sufficient battery voltage and sufficient durability. Objective.
Furthermore, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell equipped with any one of the membrane catalyst layer assembly and the membrane electrode assembly of the present invention, and having sufficient battery voltage and sufficient durability. The purpose is to provide.
そこで、本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、膜触媒層接合体の触媒層の主面内でみた場合に、導電性炭素粒子の酸化が進行しやすい領域と酸化が進行しにくい領域があることを見出した。そして本発明者らはさらに鋭意研究を重ね、膜触媒層接合体の触媒層の主面内で、導電性炭素粒子の酸化が進行しやすい領域と酸化が進行しにくい領域に応じて導電性炭素粒子の黒鉛化度を変化させることが、触媒層中の導電性炭素粒子の酸化を抑制しつつ、十分な電池電圧が得るという上述の本発明の目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明を完成した。 Therefore, as a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have a region in which oxidation of conductive carbon particles tends to proceed when viewed in the main surface of the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly. It was found that there is a region where oxidation is difficult to proceed. Further, the present inventors have further conducted intensive research, and in the main surface of the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly, conductive carbon particles are selected depending on the region where the oxidation of the conductive carbon particles tends to proceed and the region where the oxidation does not proceed easily. Changing the degree of graphitization of the particles is extremely effective in achieving the above-described object of the present invention, in which sufficient battery voltage is obtained while suppressing oxidation of the conductive carbon particles in the catalyst layer. The headline and the present invention were completed.
すなわち、膜電極接合体を挟むカソードセパレータにはカソードガス流路が形成されており、上流から下流に向かって酸化剤ガスが流れる。本発明者らがそのカソードガス流路に沿って触媒層中の導電性炭素粒子(カーボン)の腐食状態を詳細に観察したところ、カソードガス流路の上流に沿うカソードの触媒層の部分では導電性炭素粒子の酸化による劣化はほとんど起こっておらず、カソードガス流路の中央から下流に沿うカソードの触媒層の部分にかけて触媒層の導電性炭素粒子の酸化による劣化が顕著に発生していることがわかった。したがって、本発明者らは、導電性炭素粒子の腐食を抑制するためには、カソードガス流路の下流に沿うカソードの触媒層の部分に耐酸化性の高い導電性炭素粒子、すなわち黒鉛化度の高い導電性炭素粒子を用いることが有効であると考えた。
ここで、カソードガス流路の下流に沿うカソードの触媒層の部分において導電性炭素粒子の腐食が顕著に発生していることの理由は、必ずしも明確に解明されていないが、本発明者らは以下のように考えている。
That is, a cathode gas flow path is formed in the cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly, and the oxidant gas flows from upstream to downstream. The inventors have observed in detail the corrosion state of the conductive carbon particles (carbon) in the catalyst layer along the cathode gas flow path. There is almost no deterioration due to oxidation of the conductive carbon particles, and there is significant deterioration due to oxidation of the conductive carbon particles in the catalyst layer from the center of the cathode gas passage to the part of the cathode catalyst layer along the downstream. I understood. Therefore, in order to suppress the corrosion of the conductive carbon particles, the present inventors have found that the conductive carbon particles having high oxidation resistance, that is, the degree of graphitization, is not formed on the portion of the cathode catalyst layer along the downstream of the cathode gas flow path. Therefore, it was considered effective to use conductive carbon particles having a high particle size.
Here, although the reason why the conductive carbon particles are significantly corroded in the portion of the catalyst layer of the cathode along the downstream of the cathode gas flow path has not necessarily been clearly clarified, the present inventors have I think as follows.
すなわち、燃料電池の起動停止を行う際に燃料電池内のガスの置換(パージ)が行われるが、このときカソードガス流路の下流部分に沿うカソードの触媒層の部分おいてはガス分布が不均一となり易く、局部的に電位が高い状態(ブラス側に高い状態)となり、導電性炭素粒子の酸化が進み易くなっていると考えられる。そして、本発明者らは、この導電性炭素粒子の酸化の進行を十分に抑制する観点からカソードガス流路の下流に沿うカソードの触媒層の部分に耐酸化性の高い導電性炭素粒子、すなわち黒鉛化度の高い導電性炭素粒子を用いることが有効であると考えた。 That is, when the fuel cell is started and stopped, the gas in the fuel cell is replaced (purged). At this time, the gas distribution in the portion of the catalyst layer of the cathode along the downstream portion of the cathode gas flow path is improper. It tends to be uniform, and the potential is locally high (high on the brass side), and it is considered that the oxidation of the conductive carbon particles easily proceeds. And from the viewpoint of sufficiently suppressing the progress of the oxidation of the conductive carbon particles, the inventors of the present invention have high oxidation resistance conductive carbon particles on the portion of the cathode catalyst layer along the downstream of the cathode gas flow path, that is, It was considered effective to use conductive carbon particles with a high degree of graphitization.
一方、カソードガス流路に沿うカソードの触媒層において、酸化剤ガスは上流から下流に向けて徐々に消費されていくため、下流に行くにしたがって酸化剤ガス(例えば、酸化剤ガスとして、空気を使用している場合には酸素)の濃度が減少し、分極が大きくなって電流が減少してゆく。すなわち、カソードの触媒層ではカソードガス流路の上流に沿う部分での電流の集中が起こる。
そして、本発明者らは、電流が集中するカソードガス流路の上流に沿うカソードの触媒層の部分においては、より活性の高い触媒を用いることが有効であると考えた。このような活性の高い触媒としては、黒鉛化度が低く、表面積の大きい導電性炭素粒子を用いるのが好ましい。このような表面積の大きい導電性微粒子は粒径の小さい電極触媒金属粒子を細かく分散させることができ、高活性を得ることができる。
On the other hand, in the catalyst layer of the cathode along the cathode gas flow path, the oxidant gas is gradually consumed from the upstream toward the downstream, so that the oxidant gas (for example, as oxidant gas, If used, the concentration of oxygen) will decrease, the polarization will increase and the current will decrease. That is, in the cathode catalyst layer, current concentration occurs in a portion along the upstream side of the cathode gas flow path.
Then, the present inventors considered that it is effective to use a catalyst having higher activity in the part of the cathode catalyst layer along the upstream side of the cathode gas flow path where current concentrates. As such a highly active catalyst, it is preferable to use conductive carbon particles having a low graphitization degree and a large surface area. Such conductive fine particles having a large surface area can finely disperse electrocatalyst metal particles having a small particle size, and can obtain high activity.
そこで、本発明は、
互いに対向配置されるアノードセパレータおよびカソードセパレータと、アノードセパレータとカソードセパレータとの間に配置される膜電極接合体とを有し、カソードセパレータの内面にカソードガス流路が形成されている高分子電解質形燃料電池に搭載される膜触媒層接合体であって、
互いに対向して配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層と、
アノード触媒層とカソード触媒層との間に配置される高分子電解質膜と、
を有しており、
カソード触媒層には、電極触媒と、電極触媒の担体となる導電性炭素粒子とが含まれており、
カソード触媒層のうち、カソードガス流路の上流に対応する部分に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度が、カソードガス流路の下流に対応する部分に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度よりも低いこと、
を特徴とする膜触媒層接合体を提供する。
Therefore, the present invention provides
A polymer electrolyte having an anode separator and a cathode separator that are arranged to face each other, and a membrane electrode assembly that is arranged between the anode separator and the cathode separator, wherein a cathode gas channel is formed on the inner surface of the cathode separator A membrane-catalyst layer assembly mounted on a fuel cell,
An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer disposed to face each other;
A polymer electrolyte membrane disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
Have
The cathode catalyst layer includes an electrode catalyst and conductive carbon particles serving as a support for the electrode catalyst.
Of the cathode catalyst layer, the degree of graphitization of the conductive carbon particles contained in the part corresponding to the upstream of the cathode gas flow path is the same as the degree of graphitization of the conductive carbon particles contained in the part corresponding to the downstream of the cathode gas flow path. Lower than,
A membrane catalyst layer assembly is provided.
以上のように、電極反応に対する高い活性が必要で導電性炭素粒子の腐食がおこりにくいカソードガス流路の上流部分に対応する触媒層の部分に黒鉛化度の低い導電性炭素粒子を用い、上流部分に比較して電流の集中が起こりにくく導電性炭素粒子の腐食が起こりやすいカソードガス流路の下流部分に対応する触媒層の部分に黒鉛化度の高い導電性炭素粒子を用いる構成を採用することにより、触媒層の性能低下(特に、従来の課題であった電極触媒の担体の劣化)を十分に抑制することができる。 As described above, conductive carbon particles having a low graphitization degree are used in the catalyst layer portion corresponding to the upstream portion of the cathode gas flow path where high activity against electrode reaction is required and corrosion of the conductive carbon particles hardly occurs. Adopting a structure using conductive carbon particles having a high degree of graphitization in the catalyst layer portion corresponding to the downstream portion of the cathode gas flow path, where current concentration is less likely to occur and corrosion of the conductive carbon particles is likely to occur. As a result, the performance degradation of the catalyst layer (particularly, the deterioration of the electrode catalyst carrier, which has been a conventional problem) can be sufficiently suppressed.
そのため、本発明によれば、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を実現し得る膜触媒層接合体を提供することができる。
また、本発明の膜触媒層接合体を搭載する膜電極接合体を構成すれば、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を実現し得る膜触媒層接合体を提供することができる。
さらに、上記本発明の膜触媒層接合体、および、本発明の膜触媒層接合体を搭載する膜電極接合体のうちの何れかを採用すれば、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a membrane / catalyst layer assembly capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell having sufficient battery voltage and sufficient durability.
Further, a membrane / catalyst layer assembly capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell having sufficient battery voltage and sufficient durability can be obtained by configuring a membrane / electrode assembly on which the membrane / catalyst layer assembly of the present invention is mounted. Can be provided.
Furthermore, if any one of the membrane catalyst layer assembly of the present invention and the membrane electrode assembly equipped with the membrane catalyst layer assembly of the present invention is employed, sufficient battery voltage and sufficient durability can be obtained. A polymer electrolyte fuel cell can be provided.
ここで、本発明において、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の上流に対応する部分」とは、MEAとセパレータとの積層体中、カソード触媒層および当該カソード触媒層に酸化剤ガスを供給するために配置されるカソードセパレータに着目し、当該カソード触媒層の主面およびカソードセパレータの主面の略法線方向から同時にみた場合に、カソード触媒層のうちの、カソードセパレータの内面(すなわちカソード触媒層側の面)に設けられたカソードガス流路の上流部分に対応する部分(略重なってみえる部分、および、当該略重なってみえる部分の周囲の部分であってカソードガス流路の上流部分から供給される酸化剤ガスが拡散し電極反応が進行する部分)のことをいう。なお、カソードガス流路の上流部分から供給される酸化剤ガスが拡散し電極反応が進行する部分の範囲は、酸化剤ガスの流速、酸化剤ガスの温度、酸化剤ガスの圧力、カソードガス流路の形状、カソードガス流路の流路断面積、カソード触媒層の成分組成、カソード触媒層の厚さ、カソード触媒層の気孔率等で適宜変化する。
そして、「カソードガス流路の上流」とは、概してカソードガス流路の酸化剤ガスの流れ方向における入口側のことをいう。
Here, in the present invention, “the portion of the cathode catalyst layer corresponding to the upstream of the cathode gas flow path” means that the oxidant gas is applied to the cathode catalyst layer and the cathode catalyst layer in the laminate of MEA and separator. Paying attention to the cathode separator disposed for supply, when viewed from the substantially normal direction of the main surface of the cathode catalyst layer and the main surface of the cathode separator at the same time, the inner surface of the cathode separator in the cathode catalyst layer (that is, The portion corresponding to the upstream portion of the cathode gas flow path provided on the cathode catalyst layer side (the portion that appears to overlap substantially, and the portion around the portion that appears to overlap substantially, upstream of the cathode gas flow channel This refers to the part where the oxidant gas supplied from the part diffuses and the electrode reaction proceeds. The range of the part where the oxidant gas supplied from the upstream part of the cathode gas channel diffuses and the electrode reaction proceeds is as follows: the flow rate of the oxidant gas, the temperature of the oxidant gas, the pressure of the oxidant gas, the cathode gas flow It varies as appropriate depending on the shape of the channel, the cross-sectional area of the cathode gas channel, the component composition of the cathode catalyst layer, the thickness of the cathode catalyst layer, the porosity of the cathode catalyst layer, and the like.
The term “upstream of the cathode gas channel” generally refers to the inlet side of the cathode gas channel in the flow direction of the oxidant gas.
また、本発明において、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の下流に対応する部分」とは、MEAとセパレータとの積層体中、カソード触媒層および当該カソード触媒層に酸化剤ガスを供給するために配置されるカソードセパレータに着目し、当該カソード触媒層の主面およびカソードセパレータの主面の略法線方向から同時にみた場合に、カソード触媒層のうちの、カソードセパレータの内面(すなわちカソード触媒層側の面)に設けられたカソードガス流路の下流部分に対応する部分(略重なってみえる部分、および、当該略重なってみえる部分の周囲の部分であってカソードガス流路の下流部分から供給される酸化剤ガスが拡散し電極反応が進行する部分)のことをいう。なお、カソードガス流路の下流部分から供給される酸化剤ガスが拡散し電極反応が進行する部分の範囲は、酸化剤ガスの流速、酸化剤ガスの温度、酸化剤ガスの圧力、カソードガス流路の形状、カソードガス流路の流路断面積、カソード触媒層の成分組成、カソード触媒層の厚さ、カソード触媒層の気孔率等で適宜変化する。
そして、「カソードガス流路の下流」とは、概してカソードガス流路の酸化剤ガスの流れ方向における出口側のことをいう。
In the present invention, “the portion of the cathode catalyst layer corresponding to the downstream of the cathode gas flow path” refers to supplying the oxidant gas to the cathode catalyst layer and the cathode catalyst layer in the laminate of MEA and separator. Focusing on the cathode separator disposed for the purpose, the inner surface of the cathode separator (that is, the cathode) of the cathode catalyst layer when viewed from the substantially normal direction of the main surface of the cathode catalyst layer and the main surface of the cathode separator simultaneously. The portion corresponding to the downstream portion of the cathode gas flow path provided on the catalyst layer side) (the portion that appears to overlap substantially and the portion around the portion that appears to overlap substantially and the downstream portion of the cathode gas flow passage The portion where the oxidant gas supplied from the gas diffuses and the electrode reaction proceeds). The range of the part where the oxidant gas supplied from the downstream part of the cathode gas channel diffuses and the electrode reaction proceeds is the range of the oxidant gas flow rate, the oxidant gas temperature, the oxidant gas pressure, the cathode gas flow. It varies as appropriate depending on the shape of the channel, the cross-sectional area of the cathode gas channel, the component composition of the cathode catalyst layer, the thickness of the cathode catalyst layer, the porosity of the cathode catalyst layer, and the like.
The term “downstream of the cathode gas passage” generally refers to the outlet side of the cathode gas passage in the flow direction of the oxidant gas.
また、本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明においては「カソード触媒層の上記上流に対応する部分」は、カソードガス流路の全流路長のうちの一端を入口とし他端を上記入口を基点とした25%〜50%の位置とする領域に対向する部分であり、かつ「カソード触媒層の上記下流に対応する部分」は、カソードガス流路の全流路長のうちの一端を出口とし他端を上記出口を基点とした50%〜75%の位置とする領域に対向する部分であることが好ましい。 Further, from the viewpoint of obtaining the effects of the present invention more reliably, in the present invention, the “portion corresponding to the upstream of the cathode catalyst layer” means that one end of the total channel length of the cathode gas channel is the inlet and the other end. Is a portion facing a region having a position of 25% to 50% starting from the inlet, and “the portion corresponding to the downstream of the cathode catalyst layer” is the total length of the cathode gas channel. It is preferable that it is a part which opposes the area | region made into the position of 50%-75% by making one end of this into an exit and making the other end into the said outlet.
以下、上記の「カソード触媒層のカソードガス流路の上流に対応する部分」および「カソード触媒層のカソードガス流路の下流に対応する部分」の好適な設定条件を図示して説明すると図7となる。
すなわち、図7は、上述した本発明における「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の上流に対応する部分」、および、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の下流に対応する部分」の好適な設定条件を説明するための説明図である。図7は、カソードガス流路の上流部分と下流部分とを示している。そして、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の上流に対応する部分」は、カソード触媒層のうち図7に示すカソードガス流路170の上流領域R1に対向配置されている部分、および、当該上流領域R1に対向配置されている部分の周囲の部分であってカソードガス流路の上流部分から供給される酸化剤ガスが拡散し電極反応が進行する部分である。
FIG. 7 illustrates preferred setting conditions for the “portion of the cathode catalyst layer corresponding to the upstream side of the cathode gas flow path” and the “portion of the cathode catalyst layer corresponding to the downstream side of the cathode gas flow path”. It becomes.
That is, FIG. 7 shows the “part of the cathode catalyst layer corresponding to the upstream of the cathode gas flow path” and “the part of the cathode catalyst layer corresponding to the downstream of the cathode gas flow path” in the present invention described above. It is explanatory drawing for demonstrating suitable setting conditions. FIG. 7 shows an upstream portion and a downstream portion of the cathode gas flow path. The “part of the cathode catalyst layer corresponding to the upstream side of the cathode gas flow path” is the part of the cathode catalyst layer that is disposed opposite to the upstream region R1 of the cathode gas flow path 170 shown in FIG. This is a portion around the portion facing the upstream region R1, and is a portion where the oxidant gas supplied from the upstream portion of the cathode gas channel diffuses and the electrode reaction proceeds.
また、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の下流に対応する部分」は、カソード触媒層のうち図7に示すカソードガス流路170の下流領域R2に対向配置されている部分、および、当該下流領域R2に対向配置されている部分の周囲の部分であってカソードガス流路の下流部分から供給される酸化剤ガスが拡散し電極反応が進行する部分である。
図7に示すように、カソードガス流路170の上流領域R1は、カソードガス流路170の全流路長L1のうちの一端P1を入口とし他端P2を上記入口を基点とした25%〜50%の位置とする領域である。また、カソードガス流路170の下流領域R2は、カソードガス流路170の全流路長L1のうちの一端P3を出口とし他端P4を上記出口を基点とした50%〜75%の位置とする領域である。
In addition, the “part of the cathode catalyst layer corresponding to the downstream side of the cathode gas flow path” is the part of the cathode catalyst layer that is opposed to the downstream region R2 of the cathode gas flow path 170 shown in FIG. It is a part around the part arranged to face the downstream region R2, and is a part where the oxidant gas supplied from the downstream part of the cathode gas flow channel diffuses and the electrode reaction proceeds.
As shown in FIG. 7, the upstream region R1 of the cathode gas flow path 170 has an end of one end P1 of the total flow path length L1 of the cathode gas flow path 170 and the other end P2 as a base point of 25% to This is an area having a position of 50%. Further, the downstream region R2 of the cathode gas channel 170 has a position of 50% to 75% with the one end P3 of the total channel length L1 of the cathode gas channel 170 as the outlet and the other end P4 as the starting point. It is an area to do.
ここで、図7に図示する領域R1に対応する触媒層の部分(「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の上流に対応する部分」)と領域R2に対応する触媒層の部分(「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の下流に対応する部分」)との間には、別の黒鉛化度を有する導電性炭素粒子を含む触媒層の領域(以下、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の中流に対応する部分」という)があってもよい。
この場合、本発明の効果をより確実に得る観点から、カソードガス流路の中流に対応するカソード触媒層部分に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度は、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の下流に対応する部分」に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度よりも低く、「カソード触媒層のうち、カソードガス流路の上流に対応する部分」に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度よりも高いことが好ましい。
Here, the portion of the catalyst layer corresponding to the region R1 shown in FIG. 7 (“the portion of the cathode catalyst layer corresponding to the upstream of the cathode gas flow path”) and the portion of the catalyst layer corresponding to the region R2 (“cathode” Between the catalyst layer and the portion corresponding to the downstream of the cathode gas flow path)), a region of the catalyst layer containing conductive carbon particles having another degree of graphitization (hereinafter referred to as “the cathode catalyst layer, A portion corresponding to the middle flow of the cathode gas flow path ”).
In this case, from the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, the degree of graphitization of the conductive carbon particles contained in the cathode catalyst layer portion corresponding to the middle flow of the cathode gas flow path is “the cathode gas in the cathode catalyst layer”. The degree of graphitization of the conductive carbon particles contained in the “part corresponding to the downstream of the flow path” is lower than the degree of graphitization of the conductive carbon particles contained in the “part of the cathode catalyst layer corresponding to the upstream of the cathode gas flow path”. It is preferable that the degree of graphitization is higher.
さらに、本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の膜触媒層接合体においては、カソード触媒層の上流に対応する部分がカソードガス流路の入口に対向する位置を含んでおり、カソード触媒層の下流に対応する部分がカソードガス流路の出口に対向する位置を含んでおり、カソード触媒層の主面の上流に対応する部分の面積が当該主面の全面積の25%〜50%であり、カソード触媒層の主面の下流に対応する部分の面積が当該主面の全面積の50%〜75%であること、が好ましい。
特に、後述の図4に示すようなサーペンタイン構造のガス流路を採用する場合、上記のカソード触媒層の主面の上流に対応する部分の面積およびカソード触媒層の主面の下流に対応する部分の面積の条件、先に図7を用いて説明した条件とを同時に満たす態様が、本発明の効果をより確実に得る観点からより有効となる場合がある。
Furthermore, from the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, the membrane catalyst layer assembly of the present invention includes a position where the portion corresponding to the upstream side of the cathode catalyst layer faces the inlet of the cathode gas flow path, The portion corresponding to the downstream of the cathode catalyst layer includes a position facing the outlet of the cathode gas flow path, and the area of the portion corresponding to the upstream of the main surface of the cathode catalyst layer is 25% to the total area of the main surface The area of the portion corresponding to the downstream of the main surface of the cathode catalyst layer is preferably 50% to 75% of the total area of the main surface.
In particular, when a gas flow path having a serpentine structure as shown in FIG. 4 is employed, the area of the portion corresponding to the upstream of the main surface of the cathode catalyst layer and the portion corresponding to the downstream of the main surface of the cathode catalyst layer. In some cases, the aspect of satisfying both the area condition and the condition described above with reference to FIG. 7 is more effective from the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably.
また、本発明は、
互いに対向配置される一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層の間に配置される膜触媒層接合体と、を有し、
膜触媒層接合体が先に述べた膜触媒層接合体であること、
を特徴とする膜電極接合体を提供する。
このように、本発明の膜電極接合体は、先に述べた本発明の膜触媒層接合体を備えているため、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を実現することができる。
The present invention also provides:
A pair of gas diffusion layers disposed opposite to each other, and a membrane catalyst layer assembly disposed between the pair of gas diffusion layers,
The membrane catalyst layer assembly is the membrane catalyst layer assembly described above,
A membrane electrode assembly is provided.
As described above, since the membrane electrode assembly of the present invention includes the membrane catalyst layer assembly of the present invention described above, a polymer electrolyte fuel cell having sufficient battery voltage and sufficient durability is obtained. Can be realized.
さらに本発明は、
先に述べた膜電極接合体を備えること、を特徴とする高分子電解質形燃料電池をも提供する。
このように、本発明の高分子電解質形燃料電池は、先に述べた本発明の膜電極接合体を備えているため、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する。
Furthermore, the present invention provides
There is also provided a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly described above.
Thus, since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the membrane electrode assembly of the present invention described above, it has sufficient battery voltage and sufficient durability.
本発明によれば、高分子電解質形燃料電池の作動および停止を繰り返しても触媒担体である導電性粒子(カーボン)の酸化劣化を十分に抑制でき、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を実現し得る膜触媒層接合体を提供することができる。
また、本発明によれば、上記本発明の膜触媒層接合体を搭載することにより、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を実現し得る膜電極接合体を提供することができる。
さらに、本発明によれば、上記本発明の膜触媒層接合体および膜電極接合体のうちの何れかを搭載することにより、十分な電池電圧と十分な耐久性とを有する高分子電解質形燃料電池を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to sufficiently suppress the oxidative deterioration of the conductive particles (carbon) as the catalyst carrier even when the operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell are repeated, and to achieve sufficient battery voltage and sufficient durability. It is possible to provide a membrane / catalyst layer assembly capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell.
Further, according to the present invention, there is provided a membrane electrode assembly capable of realizing a polymer electrolyte fuel cell having sufficient battery voltage and sufficient durability by mounting the membrane catalyst layer assembly of the present invention. Can be provided.
Further, according to the present invention, a polymer electrolyte fuel having sufficient battery voltage and sufficient durability by mounting any one of the membrane catalyst layer assembly and the membrane electrode assembly of the present invention. A battery can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図1は、本発明の高分子電解質形燃料電池の好適な一実施形態に搭載される単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。なお、本実施形態の高分子電解質形燃料電池(図示せず)は、図1に示す単電池1のみで構成されていても、単電池1を複数積層して得られたスタックで構成されていてもよい。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description may be abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a unit cell mounted in a preferred embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. Note that the polymer electrolyte fuel cell (not shown) of this embodiment is composed of a single cell 1 shown in FIG. 1 or a stack obtained by stacking a plurality of single cells 1. May be.
また、図2は、図1に示す単電池1に搭載される膜電極接合体の基本構成の一例を示す概略断面図であり、図3は、図2に示す膜電極接合体10に搭載される膜触媒層接合体の基本構成の一例を示す概略断面図である。
さらに、図4は、図1におけるX−X線断面図、すなわち、図1におけるカソードセパレータ16cを、カソードガス流路17c側からみた正面図である。図5は、図1におけるY−Y線断面図、すなわち、図1におけるアノードセパレータ16aを、アノードガス流路17a側からみた正面図である。
2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of the membrane electrode assembly mounted on the unit cell 1 shown in FIG. 1, and FIG. 3 is mounted on the
4 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 1, that is, a front view of the
まず、本実施形態の単電池1の構成要件について説明する。
図1に示すように、本実施形態の単電池1は、主として、後述する膜電極接合体10と、ガスケット15と、一対の板状のカソードセパレータ16cおよびアノードセパレータ16aとを含む。ガスケット15は、膜電極接合体10に供給される燃料ガスの外部へのリーク防止、酸化剤ガスの外部へのリーク防止、ならびに、燃料ガスおよび酸化剤ガス混合を防止するため、高分子電解質膜11の外延部分を挟持した状態でガス拡散電極の周囲に配置されている。
First, the structural requirements of the cell 1 of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, the unit cell 1 of the present embodiment mainly includes a
また、図2に示すように、膜電極接合体10は、主として、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質で構成された高分子電解質膜11の両面に、カソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aが配置されている。カソード触媒層12cは、少なくとも白金を含む貴金属触媒を担体粒子(例えばグラファイトなどの導電性炭素粒子)に担持させて得られる電極触媒と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、を含み、アノード触媒層12aは、少なくとも白金を含む貴金属触媒を担体粒子(例えばグラファイトなどの導電性炭素粒子)に担持させて得られる電極触媒と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含む。そして、図2および図3に示すように、高分子電解質膜11と、カソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aと、が膜触媒層接合体20を構成している。
Further, as shown in FIG. 2, the
本発明はカソード触媒層12cに含まれる触媒の単体である導電性炭素粒子に特徴を有するものであるが、その具体的内容については後述する。
高分子電解質膜11を構成する高分子電解質としては、従来公知の水素イオン伝導性を有する高分子電解質を用いることができ、例えばスルホン酸基を有する高分子電解質を用いるのが特に好ましい。
上記高分子電解質としては、平均EW値が900〜1200であるものが好ましい。平均EWが1200以下であると、高分子電解質膜11の抵抗値が上昇を抑えることができ好ましく、平均EW値が900以上であると含水率の増大に起因する膨潤を抑制することができ、高分子電解質膜11の強度を保持し易くなるため好ましい。
The present invention is characterized by the conductive carbon particles that are a simple substance of the catalyst contained in the
As the polymer electrolyte constituting the
As said polymer electrolyte, what has an average EW value of 900-1200 is preferable. When the average EW is 1200 or less, it is possible to suppress an increase in the resistance value of the
また、上記高分子電解質としては、パーフルオロカーボン重合体で構成されているものであるのが好ましく、例えばCF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hで表されるパーフルオロビニル化合物(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0または1を示し、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基を示す。)に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体を用いることができる。 The polymer electrolyte is preferably composed of a perfluorocarbon polymer. For example, CF 2 ═CF— (OCF 2 CFX) m —O p — (CF 2 ) n —SO 3 H (M represents an integer of 0 to 3, n represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, and X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group.) A copolymer containing a polymer unit based on the above and a polymer unit based on tetrafluoroethylene can be used.
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式(1)〜(3)で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、tは1〜3の整数を示す。
CF2=CFO(CF2)q−SO3H ・・・(1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r−SO3H ・・・(2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2−SO3H ・・・(3)
なお、上記高分子電解質としては、具体的には米国Du Pont社製のNafion(商品名)や旭硝子(株)製のフレミオン(商品名)などが挙げられる。
Preferable examples of the fluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (1) to (3). However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 3.
CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 3 H ··· (1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r -SO 3 H ··· (2)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 -SO 3 H ··· (3)
Specific examples of the polymer electrolyte include Nafion (trade name) manufactured by Du Pont, USA, and Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.
そして、カソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aの外面には、それぞれ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーなどを用いて、通気性および電子伝導性を併せ持つガス拡散層13c、13aが形成される。カソード触媒層12cとガス拡散層13cとの組合せによりカソード(ガス拡散電極)14cが構成され、アノード触媒層12aとガス拡散層13aとの組合せによりアノード(ガス拡散電極)14aが構成される。
Gas diffusion layers 13c and 13a having both air permeability and electronic conductivity are formed on the outer surfaces of the
膜電極接合体10の外側には、図1に示すように、膜電極接合体10を機械的に固定するための導電性を有する一対の板状のカソードセパレータ16cおよびアノードセパレータ16aが配置されている。カソードセパレータ16cの膜電極接合体10と接触する部分(内面)には、カソード14cに酸化剤ガスを供給し、電極反応生成物、未反応の反応ガスおよび反応生成水などを単電池1の外部に運び去るためのカソードガス流路17cが形成されており、アノードセパレータ16aの膜電極接合体10と接触する部分(内面)には、アノード14aに燃料ガスを供給し、電極反応生成物や未反応の反応物を含むガスを単電池1の外部に運び去るためのアノードガス流路17aが形成されている。さらに、カソードセパレータ16cおよびアノードセパレータ16aの外面には、それぞれ燃料電池の温度を制御するための冷却流体(例えば冷却水)を流す冷却流体用流路18cおよび18aが形成されている。
As shown in FIG. 1, a pair of
このように、一対のカソードセパレータ16cおよびアノードセパレータ16aで膜電極接合体10を固定し、カソードセパレータ16cのカソードガス流路17cに酸化剤ガスを供給し、アノードセパレータ16aのアノードガス流路17aに燃料ガスを供給すれば、一つの単電池1である程度の起電力を発生させることができる。しかし、通常、高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、本実施形態のように単電池1を必要とする個数だけ直列に連結したスタックの構成が採用される。
In this way, the
カソードガス流路17cおよびアノードガス流路17aに反応ガス(酸化剤ガスおよび燃料ガス)を供給するためには、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に対応する数(例えば単電池の数)に分岐し、それらの分岐先を直接セパレータにつなぎ込む治具であるマニホールドが必要となる。特に反応ガスを供給する外部の配管から直接セパレータにつなぎ込むタイプのマニホールドを、外部マニホールドと呼ぶ。一方、より簡単な構造を有する内部マニホールドと呼ばれるものもある。内部マニホールドは、ガス流路を形成したセパレータに設けられた貫通孔で構成され、ガス流路の出入り口をこの孔に連通させて、この貫通孔から直接反応ガスをガス流路に供給することができる。本発明においてはいずれのマニホールドを採用してもよい。
In order to supply the reaction gas (oxidant gas and fuel gas) to the
ここで、図4に示すように、カソードセパレータ16cは略矩形状であり、周縁部に酸化剤ガス入口マニホールド孔21、酸化剤ガス出口マニホールド孔22、燃料ガス入口マニホールド孔23、燃料ガス出口マニホールド孔24、冷却流体入口マニホールド孔25および冷却流体出口マニホールド孔26が設けられている。なお、図4における領域Pがカソード14c(カソード触媒層12cおよびカソードガス拡散層13c)の主面が接する部分である。
Here, as shown in FIG. 4, the
特に、カソードセパレータ16cのうちのカソード触媒層12cに接する面には、酸化剤ガス入口マニホールド孔21と酸化剤ガス出口マニホールド孔22を連通するカソードガス流路17cが設けられている。このカソードガス流路17cは、いわゆるサーペンタイン形状を有する。より詳細には、カソードガス流路17cは溝で構成されており、カソードセパレータ16cの四辺のうちの、燃料ガス出口マニホールド孔24および冷却流体入口マニホールド孔25が設けられている側の辺に略垂直な方向に延びる9本の直線部18c1と、隣接する直前部18c1を接続する8つのターン部18c2と、を有する。
In particular, a cathode
一方、図5に示すように、アノードセパレータ16aは略矩形状であり、周縁部に酸化剤ガス入口マニホールド孔21、酸化剤ガス出口マニホールド孔22、燃料ガス入口マニホールド孔23、燃料ガス出口マニホールド孔24、冷却流体入口マニホールド孔25および冷却流体出口マニホールド孔26が設けられている。なお、図5における領域Qがアノード14a(アノード触媒層12aおよびアノードガス拡散層13a)の主面が接する部分である。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the
特に、アノードセパレータ16aのうちのアノード触媒層12aに接する面には、燃料ガス入口マニホールド孔23と燃料ガス出口マニホールド孔24を連通するアノードガス流路17aが設けられている。このアノードガス流路17aは、いわゆるサーペンタイン形状を有する。より詳細には、アノードガス流路17aは溝で構成されており、アノードセパレータ16aの四辺のうちの、燃料ガス出口マニホールド孔24および冷却流体入口マニホールド孔25が設けられている側の辺に略垂直な方向に延びる9本の直線部18a1と、隣接する直前部18a1を接続する8つのターン部18a2と、を有する。
In particular, an anode
上記のようなカソードセパレータ16cおよびアノードセパレータ16aの材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば金属、カーボン、および黒鉛と樹脂との混合材料などが挙げられる。
また、カソードガス拡散層13cおよびアノードガス拡散層13aの材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えばカーボンクロスおよびカーボンペーパーなどが挙げられる。
The materials of the
Further, the materials of the cathode
次に、カソード触媒層12cは、上述のように、少なくとも白金を含む貴金属触媒を担持した担体粒子(導電性炭素粒子)からなる電極触媒と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、によって形成され、アノード触媒層12aは、少なくとも白金を含む貴金属触媒を担持した担体粒子(導電性炭素粒子)からなる電極触媒と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、によって形成される。
Next, as described above, the
本実施形態は、図6に示すように、カソード触媒層12cのうち、カソードガス流路17cの上流に対応する部分12c1に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度が、カソードガス流路17cの下流に対応する部分12c2に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度よりも低いこと、を特徴とする。図6は、図1におけるZ−Z線断面図(図1に示す単電池1において、高分子電解質膜11、アノード触媒層12a、アノードガス拡散層13a、ガスケット15およびアノードセパレータ16aを取り外し、カソード触媒層12c側からみた図)である。すなわち、図6は、カソード触媒層12cと、カソードセパレータ16cにおけるカソードガス流路17cとの位置関係を示している。
This embodiment, as shown in FIG. 6, of the
本実施形態は、カソード触媒層12cのうち、カソードガス流路17cの上流に対応する部分12c1に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度G1と、カソードガス流路17cの下流に対応する部分12c2に含まれる導電性炭素粒子の黒鉛化度G2と、が、以下の関係式(1)を満たすことを特徴とする。なお、アノード触媒層12aにおいては、当該アノード触媒層12aの主面の全体において、導電性炭素粒子の黒鉛化度が略均一であればよい。
関係式:G1<G2 ・・・(1)
This embodiment corresponds to the graphitization degree G 1 of the conductive carbon particles contained in the
Relational expression: G 1 <G 2 (1)
そして、カソード触媒層12cの上記上流に対応する部分12c1は、カソードガス流路17cの全流路長のうちの一端を入口28とし他端を入口28を基点とした全流路長の25%〜50%の位置(図6において符号29で示される位置)とする領域に対向する部分であり、カソード触媒層12cの上記下流に対応する部分12c2は、カソードガス流路17cの全流路長のうちの一端を出口30とし他端を全流路長の出口30を基点とした50%〜75%の位置(図6において符号31で示される位置)とする領域に対向する部分である。
The
カソード触媒層12cの上記上流に対応する部分12c1が、カソードガス流路17cの全流路長のうちの一端を入口28とし他端を入口28を基点とした全流路長の25%〜50%の位置とする領域に対向する部分であれば、電流(例えば全体の電流のほぼ半分の電流)が集中し易い上記上流に対応する部分12c1に低耐酸化性および高活性を有する導電性炭素粒子をより確実に存在させることができ、高活性を有しかつ十分な電池性能を発揮する高分子電解質形燃料電池をより確実に実現することができる。
The
また、カソード触媒層12cの上記下流に対応する部分12c2が、カソードガス流路17cの全流路長のうちの一端を出口30とし他端を全流路長の出口30を基点とした50%〜75%の位置とする領域に対向する部分であれば、燃料電池の起動停止に伴う不均一なガス分布に起因して導電性炭素粒子が劣化される上記下流に対応する部分12c2に高耐酸化性および低活性を有する導電性炭素粒子をより確実に存在させることができ、触媒劣化が抑制され耐久性を有しかつ十分な電池性能を発揮する高分子電解質形燃料電池をより確実に実現することができる。
Further, the
換言すると、カソード触媒層12cの上記上流に対応する部分12c1がカソードガス流路17cの入口28に対向する位置(図6において符合28aで示される位置)を含んでおり、カソード触媒層12cの上記下流に対応する部分12c2がカソードガス流路17cの出口30に対向する位置(図6において符号30aで示される位置)を含んでおり、カソード触媒層12cの主面の上記上流に対応する部分12c1の面積が当該主面の全面積の25%〜50%であり、カソード触媒層12cの主面の上記下流に対応する部分12c2の面積が当該主面の全面積の50%〜75%である。
In other words, the
上記と同様に、カソード触媒層12cの主面の上記上流に対応する部分12c1の面積が当該主面の全面積の25%〜50%であれば、電流(例えば全体の電流のほぼ半分の電流)が集中し易い上記上流に対応する部分12c1に低耐酸化性および高活性を有する導電性炭素粒子をより確実に存在させることができ、高活性を有しかつ十分な電池性能を発揮する高分子電解質形燃料電池をより確実に実現することができる。
Similarly to the above, if the area of the
また、カソード触媒層12cの主面の上記下流に対応する部分12c2の面積が当該主面の全面積の50%〜75%であれば、燃料電池の起動停止に伴う不均一なガス分布に起因して導電性炭素粒子が劣化される上記下流に対応する部分12c2に高耐酸化性および低活性を有する導電性炭素粒子をより確実に存在させることができ、触媒劣化が抑制され耐久性を有しかつ十分な電池性能を発揮する高分子電解質形燃料電池をより確実に実現することができる。
Further, if the area of the
また、本実施形態の変形例として、カソード触媒層12cの導電性炭素粒子の黒鉛化度が、カソードガス流路17cの入口28に対向する位置(図6において符号28aで示される位置)からカソードガス流路17cの出口30に対向する位置(図6において符号30aで示される位置)にかけて増加(傾斜)していてもよい。
ここで、「カソード触媒層12cの導電性炭素粒子の黒鉛化度が、カソードガス流路17cの入口28に対向する位置からカソードガス流路17cの出口30に対向する位置にかけて増加(傾斜)している」状態とは、カソード触媒層18cがカソードガス流路17cの上流側から下流側にかけて2以上の領域(複数の領域)で構成されていることを前提として、カソード触媒層18cの一端に位置する最下流領域の導電性炭素粒子の黒鉛化度が、カソード触媒層18cの他端に位置する最上流領域の導電性炭素粒子の黒鉛化度よりも最終的に大きくなっており、複数の領域を全体として見た場合に各領域における導電性炭素粒子の黒鉛化度が、カソードガス流路17cの最上流領域から最下流領域にかけて概略的に増加している状態を示す。
Further, as a modification of the present embodiment, the degree of graphitization of the conductive carbon particles of the
Here, “the degree of graphitization of the conductive carbon particles in the
例えば、最上流領域から最下流領域にかけて、導電性炭素粒子の黒鉛化度が連続して単調に増加している状態であってもよい。また、カソード触媒層12cが3つの領域以上で構成される場合には、例えば最上流領域と最下流領域との間に配置される領域のうち、一部の隣り合う領域同士の導電性炭素粒子の黒鉛化度が同じ値をとる状態であってもよい。さらに、最上流領域と最下流領域との間に配置される領域のうち、一部の隣り合う領域の導電性炭素粒子の黒鉛化度を比較した場合、最下流領域の側に位置する領域の導電性炭素粒子の黒鉛化度が、最上流領域の側に位置する領域の導電性炭素粒子の黒鉛化度よりも小さい場合があってもよい。
For example, it may be in a state where the degree of graphitization of the conductive carbon particles continuously and monotonously increases from the most upstream region to the most downstream region. When the
黒鉛化度の異なる導電性炭素粒子としては、黒鉛化度の異なる少なくとも2種類の導電性炭素粒子を用いればよく、黒鉛化度をカソードガス流路の上流から下流にかけて高く構成することができれば3種類以上の導電性炭素粒子を用いてもよい。また、導電性炭素粒子の変化する領域の境界は連続であっても不連続であってもよく、各領域毎に2種類の導電性炭素粒子の混合比率を徐々に変化させた構成を有していてもよい(グラデーション)。 As the conductive carbon particles having different degrees of graphitization, at least two kinds of conductive carbon particles having different degrees of graphitization may be used. If the degree of graphitization can be increased from upstream to downstream of the cathode gas flow path, 3 More than one kind of conductive carbon particles may be used. In addition, the boundary of the region where the conductive carbon particles change may be continuous or discontinuous, and the mixture ratio of the two types of conductive carbon particles is gradually changed for each region. It may be (gradient).
黒鉛化度の高い導電性炭素粒子としては、例えばアセチレンブラックおよび天然黒鉛などを用いることができ、黒鉛化度の低い導電性炭素粒子としては、例えばケッチェンブラック、バルカンブラックおよび活性炭などを用いることができる。
導電性炭素粒子の黒鉛化度を測定する方法としては、ラマンスペクトルを用いる方法が挙げられる。ラマンスペクトルにおいて1580cm-1付近に現れる吸収帯のピークの半値幅を指標として黒鉛化度を評価することができる。半値幅が75cm-1以下であれば、黒鉛化度が高く、酸化に対する耐性が強く、劣化を抑制できる。一方、半値幅が80cm-1以上であれば、黒鉛化度が低く、表面積が大きいため酸化に対する耐性が低い傾向にあるが、電極触媒を高分散させることができ、高活性な触媒領域が得られる。
As the conductive carbon particles having a high degree of graphitization, for example, acetylene black and natural graphite can be used, and as the conductive carbon particles having a low degree of graphitization, for example, ketjen black, vulcan black and activated carbon can be used. Can do.
Examples of the method for measuring the degree of graphitization of the conductive carbon particles include a method using a Raman spectrum. The graphitization degree can be evaluated using the half-value width of the peak of the absorption band appearing in the vicinity of 1580 cm −1 in the Raman spectrum as an index. When the half width is 75 cm −1 or less, the degree of graphitization is high, the resistance to oxidation is strong, and deterioration can be suppressed. On the other hand, if the half width is 80 cm −1 or more, the degree of graphitization is low and the surface area is large, so that the resistance to oxidation tends to be low. However, the electrode catalyst can be highly dispersed, and a highly active catalyst region can be obtained. It is done.
したがって、本実施形態においては、導電性炭素粒子のラマン分光法で測定した1580cm-1のピークの半値幅が、カソードガス流路17cの上流に対応する部分において80cm-1以上であり、カソードガス流路17cの下流に対応する部分において75cm-1以下であること、が好ましい。
Therefore, in the present embodiment, the half width of the peak of 1580 cm −1 measured by the Raman spectroscopy of the conductive carbon particles is 80 cm −1 or more in the portion corresponding to the upstream of the cathode
次に、上記のような本実施形態の燃料電池の製造方法の一例について説明する。
まず、図3に示す本実施形態の膜触媒層接合体20を作製するためには、例えば市販の高分子電解質膜11を用い、その両面にそれぞれカソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aを配置する。そして、カソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aは、触媒層形成用インクにより形成することができる。上記触媒層形成用インクは、貴金属触媒を担持した担体粒子である導電性炭素粒子からなる電極触媒と、上記高分子電解質と、分散媒と、を少なくとも含む。
Next, an example of a method for manufacturing the fuel cell according to the present embodiment as described above will be described.
First, in order to produce the membrane /
触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、高分子電解質を溶解または分散可能(高分子電解質が一部溶解した分散状態も含む)であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。
分散媒は、水、メタノール、プロパノール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、sec−ブチルアルコールおよびtert―ブチルアルコールのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの水およびアルコールは単独でも使用してもよく、2種以上混合してもよい。アルコールは、分子内にOH基を1つ有する直鎖のものが特に好ましく、エタノールが特に好ましい。このアルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。
As the dispersion medium used for preparing the ink for forming the catalyst layer, it is preferable to use a liquid containing alcohol that can dissolve or disperse the polymer electrolyte (including a dispersion state in which the polymer electrolyte is partially dissolved).
The dispersion medium preferably contains at least one of water, methanol, propanol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, sec-butyl alcohol and tert-butyl alcohol. These water and alcohol may be used alone or in combination of two or more. The alcohol is particularly preferably a straight chain having one OH group in the molecule, and ethanol is particularly preferable. This alcohol includes those having an ether bond such as ethylene glycol monomethyl ether.
触媒層形成用インクは、固形分濃度0.1〜20質量%であることが好ましい。固形分濃度が0.1質量%以上であると、触媒層形成用インクの噴霧または塗布により触媒層を作製するにあたり、何回も繰り返し噴霧または塗布しなくても所定の厚さの触媒層を得ることができ生産効率が良くなる。また、固形分濃度が20質量%以下であると、混合液の粘度を適度に調整することができ、触媒層を均一にすることができる。固形分濃度で1〜10質量%であることが特に好ましい。 The ink for forming the catalyst layer preferably has a solid content concentration of 0.1 to 20% by mass. When the solid content concentration is 0.1% by mass or more, a catalyst layer having a predetermined thickness can be formed without repeating spraying or coating many times in preparing the catalyst layer by spraying or coating the catalyst layer forming ink. Can be obtained and production efficiency is improved. Moreover, the viscosity of a liquid mixture can be moderately adjusted as solid content concentration is 20 mass% or less, and a catalyst layer can be made uniform. The solid content concentration is particularly preferably 1 to 10% by mass.
また、固形分換算で、電極触媒と高分子電解質との質量比が、50:50〜85:15となるように触媒層形成用インクを調製することが好ましい。これにより、高分子電解質が効率よく貴金属触媒を被覆することができ、膜電極接合体10を作製した場合に、三相界面を増大させることができるからである。この質量比において50:50以上であると、担体粒子である導電性炭素粒子の細孔が高分子電解質でつぶれにくく、反応場を確保することができ高分子電解質形燃料電池としての性能をより確実に確保することができる。さらに、この質量比において85:15以下であると、高分子電解質による電極触媒の被覆をより確実なものとすることができ、高分子電解質形燃料電池としての性能をより確実に確保することができる。電極触媒と高分子電解質との質量比は、60:40〜80:20となるように調製することが特に好ましい。
Moreover, it is preferable to prepare the ink for forming the catalyst layer so that the mass ratio of the electrode catalyst to the polymer electrolyte is 50:50 to 85:15 in terms of solid content. Thereby, the polymer electrolyte can efficiently coat the noble metal catalyst, and when the
上記触媒層形成用インクは、従来公知の方法に基づいて調製することができる。具体的には、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押出すことで分散液にせん断力を付与する方法などが挙げられる。
触媒層形成用インクを用いてカソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aを形成する際には、支持体シート上に触媒層12cおよびアノード触媒層12aを形成する。具体的には、触媒層形成用インクを支持体シート上に噴霧または塗布により塗工し、支持体シート上の触媒層形成用インクからなる液膜を乾燥させることにより支持体シート上に触媒層12cおよびアノード触媒層12aを形成すればよい。
The ink for forming the catalyst layer can be prepared based on a conventionally known method. Specifically, a method using a stirrer such as a homogenizer or a homomixer, a method using high-speed rotation such as using a high-speed rotating jet flow method, or a high-pressure emulsifying apparatus or the like is used to push the dispersion from a narrow part. The method of giving a shearing force to a dispersion liquid by taking out is mentioned.
When the
ここで、カソードガス拡散電極14cおよびアノードガス拡散層14aは、支持体シートから剥離して得られるカソード触媒層12cまたはアノード触媒層12aのみを製品(ガス拡散電極14c、14a)として製造してもよく、支持体シート上にカソード触媒層12cまたはアノード触媒層12aを剥離可能に形成したものを製品として製造してもよい。この支持体シートとしては、後述するように、触媒層形成用の混合液に対する溶解性を有しない合成樹脂製のシート、合成樹脂からなる層、金属からなる層を積層した構造を有するラミネートフィルム、金属性シート、セラミックスからなるシート、無機有機複合材料からなるシート、および高分子電解質膜などが挙げられる。
Here, the cathode
カソード触媒層12cまたはアノード触媒層12aを形成する際の混合液の塗工方法としては、アプリケータ、バーコータ、ダイコータ、スプレーなどを使用する方法や、スクリーン印刷法、グラビア印刷法などを適用することができる。
カソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aの厚さは、それぞれ独立して、3〜50μmであることが好ましい。厚さ3μm以上であると、均一な触媒層の形成が容易となり、一定の触媒量を確保することができ耐久性を適度に保つことができ好ましく、厚さが50μm以下であると、供給された反応ガスが触媒層中を拡散し易く、反応を進行させ易くできるため好ましい。本発明の効果をより確実に得る観点から、カソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aの厚さは、それぞれ独立して、5〜30μmであることが特に好ましい。
As a coating method of the mixed liquid when forming the
The thicknesses of the
上述のようにして得られたカソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aから、膜触媒層接合体20、カソードガス拡散電極14c、アノードガス拡散電極14a、膜電極接合体10および単電池1(高分子電解質形燃料電池)を製造する。
その際、支持体シートとして高分子電解質膜11を用いた場合には、その両面にカソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aを形成し、その後に、全体をカーボンペーパー、カーボンクロスまたはカーボンフェルトなどのガス拡散層13c、13aで挟持し、ホットプレスなどで公知の技術により接合すればよい。カソード触媒層12cを形成する際は、まず、膜の該当する部分に黒鉛化度の高いカーボンを使用した触媒層を形成し、次に黒鉛化度の低いカーボンを使用した触媒層を形成する、あるいはその逆のプロセスを経て触媒層を形成する。具体的にはたとえばスプレーを用いて膜の該当部分に第一の触媒層を形成し、触媒層塗料を交換して第二の触媒層を該当部分に形成する。
From the
At that time, when the
さらに、支持体シート上にカソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aを形成した場合には、カソード触媒層12c付き支持体シートおよびアノード触媒層12a付き支持体シートを、高分子電解質膜11に接触させ、支持体シートを剥離することによってカソード触媒層12cおよびアノード触媒層12aを転写し、公知の技術により接合すればよい。この場合も、カソード触媒層を形成する場合には、黒鉛化度の高いカーボンと低いカーボンの触媒層を形成した支持体をそれぞれ準備し、該当の大きさに切り取った触媒層を膜の該当部分に接触させ、公知の方法によって転写すればよい。
Further, when the
また、膜電極接合体10を用いて図1に示す単電池を作製する場合には、ガスケット15、カソードセパレータ16cおよびアノードセパレータ16aを用い、当該分野で公知の方法により作製すればよい。上述したように、複数個の単電池1を積層して得られるスタックにより、本発明の高分子電解質形燃料電池を構成してもよい。
Further, when the unit cell shown in FIG. 1 is manufactured using the
以上、本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、カソードガス流路17cおよびアノードガス流路18cとして、サーペンタイン形状のガス流路を用いる場合について説明したが、構成する直線部およびターン部の数は上記実施形態に限定されず、また、本発明の効果を損なわない範囲でその形状を適宜設計変更することも可能である。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment.
For example, the case where serpentine-shaped gas flow paths are used as the cathode
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.
《比較例1》
本比較例では、カソード触媒層の構成を以下のようにすること以外は、図1に示す構造と同様の構成を有する単電池を作製した。カソード触媒には担体である導電性炭素粒子としてアセチレンブラックのみを用いた。この導電性炭素粒子のラマンスペクトルにおける1580cm-1の吸収ピークの半値幅は43cm-1であった。
まず、高分子電解質を含む溶液(Aldrich社製のNafion溶液)をポリプロピレン製の支持体シートにキャストし、乾燥することによって、40μmの高分子電解質膜を得た。
<< Comparative Example 1 >>
In this comparative example, a unit cell having the same configuration as that shown in FIG. 1 was prepared except that the cathode catalyst layer was configured as follows. For the cathode catalyst, only acetylene black was used as conductive carbon particles as a support. Half-width of the absorption peak of 1580 cm -1 in the Raman spectrum of the conductive carbon particles was 43cm -1.
First, a solution containing a polymer electrolyte (Nafion solution manufactured by Aldrich) was cast on a polypropylene support sheet and dried to obtain a 40 μm polymer electrolyte membrane.
また、アセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD−1)と混合し、乾燥質量としてPTFEを20質量%含む撥水処理用インクを調製した。この撥水処理用インクを、ガス拡散層の基材となるカーボンクロス(日本カーボン(株)製のカーボロンGF-20-31E)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理し、ガス拡散層(約200μm)を形成した。 Further, acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., particle size 35 nm) was mixed with an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) (D-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and dried. A water repellent treatment ink containing 20% by mass of PTFE as a mass was prepared. This water-repellent treatment ink is applied and impregnated on a carbon cloth (Carbon GF-20-31E manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) serving as a base material for the gas diffusion layer, and is heated at 300 ° C. using a hot air dryer. And a gas diffusion layer (about 200 μm) was formed.
次に、市販の50質量%アセチレンブラック担持白金触媒(E−TEK社製)を、電極触媒と高分子電解質との質量比が1:1となるように、高分子電解質分散液(米国Aldrich社製のNafion液)と混合し、触媒層形成用インクを調製した。得られた触媒層形成用インクを、2枚の支持体シート(ポリプロピレン製)に塗布し、2枚の触媒層(カソード触媒層およびアノード触媒層)を形成した。1cm2あたりの電極触媒(白金)担持量は、カソード触媒層においては0.4mgとし、アノード触媒層においては0.3mgとした。 Next, a commercially available 50 mass% acetylene black-supported platinum catalyst (manufactured by E-TEK) was added to a polymer electrolyte dispersion (Aldrich, USA) so that the mass ratio of the electrode catalyst to the polymer electrolyte was 1: 1. And a catalyst layer forming ink was prepared. The obtained ink for forming a catalyst layer was applied to two support sheets (made of polypropylene) to form two catalyst layers (a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer). The amount of electrode catalyst (platinum) supported per cm 2 was 0.4 mg in the cathode catalyst layer and 0.3 mg in the anode catalyst layer.
上述のようにして得たガス拡散層、カソード触媒層およびアノード触媒層を、上記高分子電解質膜の両面にホットプレスにより接合し、図2に示す構造を有する膜電極接合体Aを作製した。
次に、上記膜電極接合体Aの高分子電解質膜の外周部にゴム製のガスケット板(シール材)を接合し、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。
The gas diffusion layer, the cathode catalyst layer, and the anode catalyst layer obtained as described above were joined to both surfaces of the polymer electrolyte membrane by hot pressing to produce a membrane electrode assembly A having the structure shown in FIG.
Next, a rubber gasket plate (sealing material) was joined to the outer periphery of the polymer electrolyte membrane of the membrane electrode assembly A to form manifold holes for fuel gas and oxidant gas flow.
一方、10cm×10cm×1.3mmの外寸を有し、かつ幅0.9mm、深さ0.7mmのガス流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性を有する板状のカソードセパレータおよびアノードセパレータを準備した。カソードセパレータおよびアノードセパレータの形状は、それぞれ図4および図5に示す形状とした。これら2枚のセパレータを用い、上記膜電極接合体Aの一方の面にカソードガス流路17cが成形されたカソードセパレータ16cを重ね合わせ、他方の面にアノードガス流路17aが成形されたアノードセパレータ16aを重ね合わせ、単電池を得た。
On the other hand, an electrically conductive plate made of a graphite plate impregnated with a phenol resin, having an outer dimension of 10 cm × 10 cm × 1.3 mm, and having a gas flow path having a width of 0.9 mm and a depth of 0.7 mm. A cathode separator and an anode separator were prepared. The shapes of the cathode separator and the anode separator were as shown in FIGS. 4 and 5, respectively. Using these two separators, an anode separator in which a
単電池の両端部には、ステンレス鋼製の集電板、電気絶縁材料の絶縁板および端板を配置し、全体を締結ロッドで固定した。このときの締結圧はセパレータの面積当たり10kgf/cm2とした。このようにして単電池からなる高分子電解質形燃料電池Aを作製した。 A stainless steel current collector plate, an insulating plate made of an electrically insulating material, and an end plate were arranged at both ends of the unit cell, and the whole was fixed with a fastening rod. The fastening pressure at this time was 10 kgf / cm 2 per separator area. In this way, a polymer electrolyte fuel cell A composed of single cells was produced.
《比較例2》
カソード触媒層12cにおける導電性炭素粒子がケッチェンブラックである触媒(田中貴金属工業製)を用いたこと以外は、比較例1と同様にして、膜電極接合体Bを得た。また、この膜電極接合体Bを用い、実施例1と同様にして高分子電解質形燃料電池Bを作製した。
<< Comparative Example 2 >>
Membrane electrode assembly B was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that a catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo) in which the conductive carbon particles in the
《実施例1》
カソード触媒層12cのうちのカソードガス流路17cの上流に対応する部分12c1を、カソードガス流路17cの全流路長のうちの一端を入口28とし他端を入口28から全流路長の33%の位置とする領域に対向する部分に設定した。
また、カソード触媒層12cのうちのカソードガス流路17cの下流に対応する部分12c2を、カソードガス流路17cの全流路長のうちの一端を出口30とし他端を全流路長の出口30から67%の位置とする領域に対向する部分に設定した。
また、カソード触媒層12cの主面の上流に対応する部分12c1の面積は当該主面の全面積の33%とした。
さらに、カソード触媒層12cの主面の下流に対応する部分12c2の面積は当該主面の全面積の67%とした。
Example 1
Total
Further, the
The area of the
Furthermore, the area of the
そして、上記上流に対応する部分12c1において、導電性炭素粒子として黒鉛化度の低いケッチェンブラックを用い、上記下流に対応する部分12c2において、導電性微粒子として黒鉛化度の高いアセチレンブラックを担体とする触媒を用いた以外は、比較例1と同様にして本発明の膜電極接合体Cを得た。また、この膜電極接合体Cを用い、比較例1と同様にして本発明の高分子電解質形燃料電池Cを作製した。
Then, in the
[評価試験]
(1)空気パージ試験
膜電極接合体A〜Cを含む単電池からなる高分子電解質形燃料電池A〜Cを用い、12時間0.5A/cm2の電流密度で発電を行って十分に活性化を行った後、0.16A/cm2で発電した状態での電圧(初期電圧)を記録した。
次に、下記に示すようなパターンで発電と停止を繰り返し、1000サイクル後の発電電圧と初期電圧との差を測定した。
すなわち、発電を20分間(ステップ1)行い、発電を停止し、アノードおよびカソードともにN2パージを10分間行い、N2パージを停止後スタックを17分間封止し、カソードのみN2パージを5分間行い、カソードN2パージを停止後スタックを5分間封止し、アノードへの水素供給およびカソードへの空気供給を同時に開始して3分間供給を継続し、再び上記ステップ1の発電を行うというパターンを繰り返した。
また、測定前後の膜電極接合体の断面を電子顕微鏡で観察し、カソード触媒層の厚みを上流側として触媒層上部から1cmの部分、中流側として触媒層の中央部、下流側として触媒層下部から1cmの部分、の3点で測定し、その変化を比較した。
これらの結果を表1に示す。
[Evaluation test]
(1) Air purge test Using polymer electrolyte fuel cells A to C consisting of unit cells including membrane electrode assemblies A to C, power generation is carried out at a current density of 0.5 A / cm 2 for 12 hours to be fully active After the conversion, the voltage (initial voltage) in a state where power was generated at 0.16 A / cm 2 was recorded.
Next, power generation and stop were repeated in a pattern as shown below, and the difference between the power generation voltage after 1000 cycles and the initial voltage was measured.
That is, power generation is performed for 20 minutes (Step 1), power generation is stopped, N 2 purge is performed for both the anode and cathode for 10 minutes, the N 2 purge is stopped, the stack is sealed for 17 minutes, and only N 2 purge is performed for the cathode. After the cathode N 2 purge is stopped, the stack is sealed for 5 minutes, the hydrogen supply to the anode and the air supply to the cathode are started simultaneously, the supply is continued for 3 minutes, and the power generation in step 1 is performed again. The pattern was repeated.
Also, the cross section of the membrane electrode assembly before and after the measurement was observed with an electron microscope. The cathode catalyst layer had a thickness of 1 cm from the upper part of the catalyst layer as the upstream side, the middle part of the catalyst layer as the middle stream side, and the lower part of the catalyst layer as the downstream side The measurement was made at three points, 1 cm to 1 cm, and the changes were compared.
These results are shown in Table 1.
表1に示す結果より、本発明の高分子電解質形燃料電池によれば、1000回の発電−停止試験においてカーボンの酸化による劣化を効率的に抑制できるため、電圧の低下を1%以内に抑制することができる。また、発電電圧も初期から劣化後まで780mV以上を確保できており、発電初期から耐久劣化後において高い発電効率を維持することができる。
また、比較例1と比較例2の結果より、実施例1の電圧を単純に触媒の面積比率から計算すると、785mVとなるが、実施例1の結果はそれを上回っており、電流が集中する上流側に高活性な触媒を配置する効果が現れている。
From the results shown in Table 1, according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, deterioration due to carbon oxidation can be efficiently suppressed in 1000 power generation-stop tests, so that the voltage drop is suppressed to within 1%. can do. Further, the power generation voltage can be secured at 780 mV or more from the initial stage to after deterioration, and high power generation efficiency can be maintained from the initial stage of power generation to after deterioration of durability.
Moreover, when the voltage of Example 1 is simply calculated from the area ratio of the catalyst from the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it becomes 785 mV, but the result of Example 1 exceeds that, and the current is concentrated. The effect of arranging a highly active catalyst on the upstream side appears.
本発明の膜触媒層接合体は、高分子電解質形燃料電池に用いた場合に、特にカソードの触媒担持カーボンが酸化消失することを抑制し、カソードの劣化を抑制するため、耐久性に優れかつ十分な電池性能を維持し得る高分子電解質形燃料電池を実現することが可能である。したがって、本発明は、高分子電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車などの高耐久化のために好適に用いることができる。 The membrane-catalyst layer assembly of the present invention has excellent durability and suppresses the deterioration of the cathode, particularly when the catalyst-supported carbon of the cathode is used for a polymer electrolyte fuel cell. It is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining sufficient battery performance. Therefore, the present invention can be suitably used for high durability of a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, particularly a stationary cogeneration system and an electric vehicle.
1、101・・・単電池、11、111・・・高分子電解質膜、12c・・・カソード触媒層、12a・・・アノード触媒層、13c・・・カソードガス拡散層、13a・・・アノードガス拡散層、14c・・・カソード、14a・・・アノード、15・・・ガスケット、16c・・・カソードセパレータ、16a・・・アノードセパレータ、17c・・・カソードガス流路、17a・・・アノードガス流路、18c、18a・・・冷却流体流路、21・・・酸化剤ガス入口マニホールド孔、22・・・酸化剤ガス出口マニホールド孔、23・・・燃料ガス入口マニホールド孔、24・・・燃料ガス出口マニホールド孔、25・・・冷却流体入口マニホールド孔、26・・・冷却流体出口マニホールド孔、112・・・触媒層、113・・・ガス拡散層、114・・・ガス拡散電極、115・・・ガスケット、116・・・セパレータ、117・・・ガス流路、118・・・冷却流体流路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 ... Single cell, 11, 111 ... Polymer electrolyte membrane, 12c ... Cathode catalyst layer, 12a ... Anode catalyst layer, 13c ... Cathode gas diffusion layer, 13a ... Anode Gas diffusion layer, 14c ... cathode, 14a ... anode, 15 ... gasket, 16c ... cathode separator, 16a ... anode separator, 17c ... cathode gas flow path, 17a ... anode Gas flow path, 18c, 18a ... Cooling fluid flow path, 21 ... Oxidant gas inlet manifold hole, 22 ... Oxidant gas outlet manifold hole, 23 ... Fuel gas inlet manifold hole, 24 ... Fuel gas outlet manifold hole, 25 ... cooling fluid inlet manifold hole, 26 ... cooling fluid outlet manifold hole, 112 ... catalyst layer, 113 ... Gas diffusion layer, 114 ... gas diffusion electrode, 115 ... gasket, 116 ... separator, 117 ... gas flow channel, 118 ... cooling fluid channel.
Claims (8)
互いに対向して配置されたアノード触媒層およびカソード触媒層と、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置される高分子電解質膜と、
を有しており、
前記カソード触媒層には、電極触媒と、前記電極触媒の担体となる導電性炭素粒子とが含まれており、
前記カソード触媒層のうち、前記カソードガス流路の上流に対応する部分に含まれる前記導電性炭素粒子の黒鉛化度が、カソードガス流路の下流に対応する部分に含まれる前記導電性炭素粒子の黒鉛化度よりも低いこと、
を特徴とする膜触媒層接合体。 An anode separator and a cathode separator, which are disposed to face each other, and a membrane electrode assembly disposed between the anode separator and the cathode separator, and a cathode gas flow path is formed on the inner surface of the cathode separator. A membrane catalyst layer assembly mounted on a polymer electrolyte fuel cell,
An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer disposed to face each other;
A polymer electrolyte membrane disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
Have
The cathode catalyst layer includes an electrode catalyst and conductive carbon particles serving as a support for the electrode catalyst,
Of the cathode catalyst layer, the conductive carbon particles contained in the portion corresponding to the downstream of the cathode gas flow path, the degree of graphitization of the conductive carbon particles included in the portion corresponding to the upstream of the cathode gas flow path Lower than the graphitization degree of
A membrane / catalyst layer assembly characterized by the above.
前記カソード触媒層の前記下流に対応する部分は、前記カソードガス流路の全流路長のうちの一端を出口とし他端を前記出口を基点とした前記全流路長の50%〜75%の位置とする領域に対向する部分であること、
を特徴とする請求項1に記載の膜触媒層接合体。 The portion corresponding to the upstream of the cathode catalyst layer is 25% to 50% of the total flow path length with one end of the total flow path length of the cathode gas flow path as the inlet and the other end as the base point. It is a part facing the area to be
The portion corresponding to the downstream of the cathode catalyst layer is 50% to 75% of the total flow path length with one end of the total flow path length of the cathode gas flow path as the outlet and the other end as the origin. The part facing the area
The membrane-catalyst layer assembly according to claim 1.
前記カソード触媒層の主面の前記上流に対応する部分の面積が当該主面の全面積の25%〜50%であり、前記カソード触媒層の主面の前記下流に対応する部分の面積が当該主面の全面積の50%〜75%であること、
を特徴とする請求項1または2に記載の膜触媒層接合体。 The portion corresponding to the upstream of the cathode catalyst layer includes a position facing the inlet of the cathode gas flow path, and the portion corresponding to the downstream of the cathode catalyst layer faces the outlet of the cathode gas flow path. Including location,
The area of the portion corresponding to the upstream of the main surface of the cathode catalyst layer is 25% to 50% of the total area of the main surface, and the area of the portion corresponding to the downstream of the main surface of the cathode catalyst layer is 50% to 75% of the total area of the main surface,
The membrane catalyst layer assembly according to claim 1 or 2, wherein
を特徴とする請求項1〜3のうちのいずれかに記載の膜触媒層接合体。 The degree of graphitization of the conductive carbon particles of the cathode catalyst layer increases from a position facing the inlet of the cathode gas flow path to a position facing the outlet of the cathode gas flow path;
The membrane / catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 3.
を特徴とする請求項1〜4のうちのいずれかに記載の膜触媒層接合体。 The specific surface area of the conductive carbon particles decreases from a position facing the inlet of the cathode gas flow path to a position facing the outlet of the cathode gas flow path;
The membrane catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 4.
前記カソードガス流路の前記上流に対応する部分において80cm-1以上であり、前記カソードガス流路の前記下流に対応する部分において75cm-1以下であること、
を特徴とする請求項1〜5のうちのいずれかに記載の膜触媒層接合体。 The half width of the peak at 1580 cm −1 measured by Raman spectroscopy of the conductive carbon particles is
80 cm −1 or more in the portion corresponding to the upstream of the cathode gas flow path, and 75 cm −1 or less in the portion corresponding to the downstream of the cathode gas flow path,
The membrane catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein:
前記膜触媒層接合体が請求項1〜6のうちのいずれかに記載の膜触媒層接合体であること、
を特徴とする膜電極接合体。 A pair of gas diffusion layers disposed opposite to each other, and a membrane catalyst layer assembly disposed between the pair of gas diffusion layers,
The membrane catalyst layer assembly is the membrane catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 6,
A membrane electrode assembly characterized by the above.
を特徴とする高分子電解質形燃料電池。 Comprising the membrane electrode assembly according to claim 7;
A polymer electrolyte fuel cell.
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2006
- 2006-06-13 JP JP2006163910A patent/JP2007335162A/en active Pending
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