JP2007335251A - Electrode for fuel cell, membrane electrode assembly, and cell for fuel battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a fuel cell or the like, capable of enhancing power generation performance and reducing a catalyst content compatibly. <P>SOLUTION: This electrode 13 for the fuel cell of the present invention has a catalyst layer 1 abutting to an electrolyte membrane 11a. The catalyst layer 1 comprises a stripe type carbon nano wall 3 with respective graphene sheets 31 arranged substantially orthogonally with respect to a surface of the electrolyte membrane 11a, and extended only one-dimensionally along a direction parallel to the surface of the electrolyte membrane 11a. Pt 41 and an ion conductive layer 6 comprising an electrolyte are provided on the each graphene sheet 31 of the carbon nano wall 3. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池用電極、膜電極接合体及び燃料電池用セルに関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.

燃料電池用スタックは、図6に示すように、複数のセル10が積層されてなる。各セル10は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)11及びセパレータ12によって構成されており、隣り合うセル10はセパレータ12を共通にしている。   The fuel cell stack is formed by stacking a plurality of cells 10 as shown in FIG. Each cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 11 and a separator 12, and adjacent cells 10 share a separator 12.

各膜電極接合体11は、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))等の固体高分子膜からなる電解質膜11aと、この電解質膜11aの一面に接合されて空気が供給されるカソード極11bと、電解質膜11aの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極11cとを有している。   Each membrane electrode assembly 11 includes an electrolyte membrane 11a made of a solid polymer membrane such as Nafion (registered trademark, Nafion (manufactured by Dupon)), and a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte membrane 11a and supplied with air. 11b and an anode 11c joined to the other surface of the electrolyte membrane 11a and supplied with fuel.

各セパレータ12は、各膜電極接合体11を間に挟んで積層され、個々が各カソード極11b側に空気室12bを形成するとともに、各アノード極11c側に燃料室12cを形成するようになっている。燃料電池用スタックに供給される空気は各セル10の全ての空気室12bを流通するようになっており、燃料電池用スタックに供給される燃料は各セル10の全ての燃料室12cを流通するようになっている。   Each separator 12 is laminated with each membrane electrode assembly 11 sandwiched therebetween, and each separator forms an air chamber 12b on each cathode electrode 11b side and a fuel chamber 12c on each anode electrode 11c side. ing. The air supplied to the fuel cell stack flows through all the air chambers 12b of each cell 10, and the fuel supplied to the fuel cell stack flows through all the fuel chambers 12c of each cell 10. It is like that.

一般的なカソード極11bは、図7に示すように、電解質膜11a側に位置し、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層1bと、電解質膜11aの逆側に位置し、電子を触媒層1bに供給するとともに空気を拡散する拡散層2bとを有している。また、アノード極11cは、電解質膜11a側に位置し、触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層1cと、非電解質側に位置し、触媒層1cで電気化学的反応により生じた電子を集電するとともに燃料ガスを拡散する拡散層2cとを有している。   As shown in FIG. 7, a general cathode electrode 11b is located on the electrolyte membrane 11a side, and has a catalyst layer 1b having a catalyst-carrying carbon in which a catalyst is supported on carbon particles and an electrolyte, and the opposite side of the electrolyte membrane 11a. And a diffusion layer 2b for supplying electrons to the catalyst layer 1b and diffusing air. The anode 11c is located on the electrolyte membrane 11a side and is located on the non-electrolyte side of the catalyst layer 1c having the catalyst-supporting carbon and the electrolyte, and collects electrons generated by an electrochemical reaction in the catalyst layer 1c. And a diffusion layer 2c for diffusing the fuel gas.

このカソード極11bの触媒層1bでは、電解質膜11aから電解質を介してプロトンが伝導される。また、拡散層2bからカーボン粒子を介して電子が伝導され、電解質を介して酸素が供給される。これらプロトン、電子及び酸素は電気化学的反応し、水が生成される。生成された水は、電解質を介して拡散層2bへ排水される。   In the catalyst layer 1b of the cathode electrode 11b, protons are conducted from the electrolyte membrane 11a through the electrolyte. Further, electrons are conducted from the diffusion layer 2b through the carbon particles, and oxygen is supplied through the electrolyte. These protons, electrons, and oxygen react electrochemically to produce water. The generated water is drained to the diffusion layer 2b through the electrolyte.

また、アノード極11cの触媒層1cでは、拡散層2cから電解質を介して水素が供給される。この水素は電気化学的反応によりプロトンと電子とに分解される。プロトンは電解質を介して電解質膜11aに伝導される。電子はカーボン粒子を介して拡散層2cに伝導される。   In the catalyst layer 1c of the anode 11c, hydrogen is supplied from the diffusion layer 2c through the electrolyte. This hydrogen is decomposed into protons and electrons by an electrochemical reaction. Protons are conducted to the electrolyte membrane 11a through the electrolyte. The electrons are conducted to the diffusion layer 2c through the carbon particles.

膜電極接合体11はおよそ以下のように製造される(例えば、特許文献1)。まず、基材、拡散層用ペースト、カソード極用ペースト及びアノード極用ペーストを用意する。基材は、カーボンクロス等の空孔を有する導電体である。拡散用ペーストは、カーボン粒子等の導電性粒子と撥水粒子としてのPTFE粒子との混合物である。カソード極用ペーストは、カーボン粒子等の導電性粒子に予め触媒としてのPtを担持させたPt担持カーボンと、ナフィオン(登録商標)等の電解質との混合物である。アノード極用ペーストは、Pt担持カーボン触媒とナフィオン(登録商標)等の電解質との混合物である。   The membrane electrode assembly 11 is manufactured as follows (for example, Patent Document 1). First, a base material, a diffusion layer paste, a cathode electrode paste, and an anode electrode paste are prepared. The base material is a conductor having pores such as carbon cloth. The diffusion paste is a mixture of conductive particles such as carbon particles and PTFE particles as water repellent particles. The cathode electrode paste is a mixture of Pt-supported carbon in which Pt as a catalyst is previously supported on conductive particles such as carbon particles, and an electrolyte such as Nafion (registered trademark). The anode electrode paste is a mixture of a Pt-supported carbon catalyst and an electrolyte such as Nafion (registered trademark).

次に、基材の両面に拡散層用ペーストを塗布し、乾燥させて拡散層2bを形成する。この後、拡散層2bの一面にカソード極用ペーストを塗布し、乾燥させて触媒層1bを形成する。こうしてカソード極11bが得られる。一方、他の基材の拡散層2cの一面にアノード極用ペーストを塗布し、乾燥させて触媒層1cを形成する。こうしてアノード極11cが得られる。   Next, the diffusion layer paste is applied to both surfaces of the substrate and dried to form the diffusion layer 2b. Thereafter, the cathode electrode paste is applied to one surface of the diffusion layer 2b and dried to form the catalyst layer 1b. Thus, the cathode electrode 11b is obtained. On the other hand, the anode electrode paste is applied to one surface of the diffusion layer 2c of another substrate and dried to form the catalyst layer 1c. Thus, the anode 11c is obtained.

そして、カソード極11bとアノード極11cとの間にナフィオン(登録商標)等からなる電解質層11aを挟み込むように配置し、ホットプレスによる熱圧着を行う。こうして、膜電極接合体11を得ることができる。   And it arrange | positions so that the electrolyte layer 11a which consists of Nafion (trademark) etc. may be pinched | interposed between the cathode electrode 11b and the anode electrode 11c, and the thermocompression bonding by a hot press is performed. In this way, the membrane electrode assembly 11 can be obtained.

特開2005−174768号JP-A-2005-174768

しかし、上記特許文献1のカソード極11b又はアノード極11cである燃料電池用電極の触媒層1b、1cは、電子が伝導する電子伝導パスであるカーボンクロスの繊維同士やカーボン粒子同士の間に電解質が介在するため、電子抵抗が大きい。また、カーボン粒子が接触することで電子伝導パスが形成されるため、これらの接触抵抗による電子抵抗も大きい。また、この燃料電池用電極の触媒層1b、1cは、イオンが伝導するイオン伝導パスである電解質中にカーボン粒子等の導電性粒子が介在するため、イオン抵抗も大きい。そのため、電気化学的反応が効率的に行われ難く、発電性能の制限が存在する。   However, the catalyst layers 1b and 1c of the electrode for a fuel cell which is the cathode electrode 11b or the anode electrode 11c of Patent Document 1 above are electrolytes between carbon cloth fibers or carbon particles which are electron conduction paths through which electrons are conducted. Therefore, electronic resistance is large. Further, since the electron conduction path is formed by the contact of the carbon particles, the electronic resistance due to these contact resistances is also large. Further, the catalyst layers 1b and 1c of the fuel cell electrode have a large ionic resistance because conductive particles such as carbon particles are interposed in an electrolyte which is an ion conduction path through which ions are conducted. Therefore, the electrochemical reaction is difficult to be performed efficiently, and there is a limitation on the power generation performance.

また、この燃料電池用電極では、生成水等の水がカーボンクロス等の基材の空孔及びカーボン粒子間に含浸しやすく、排水性が不十分であり、残存する水によって水素及び酸素の供給性も不十分である。このことから、この燃料電池用電極では、やはり発電性能の制限が存在する。   Further, in this fuel cell electrode, water such as generated water is easily impregnated between the pores and carbon particles of the base material such as carbon cloth, and the drainage is insufficient, and the remaining water supplies hydrogen and oxygen. The nature is also insufficient. For this reason, the fuel cell electrode still has limitations on power generation performance.

また、この燃料電池用電極は、触媒層1b、1cの全体に触媒が分散されているため、一部の触媒しか水素や酸素と接触せずに電気化学的反応を行い難く、高価な触媒を無駄にしていることになりかねない。   Further, in this fuel cell electrode, since the catalyst is dispersed throughout the catalyst layers 1b and 1c, only a part of the catalyst is in contact with hydrogen or oxygen, making it difficult to perform an electrochemical reaction. It can be wasted.

さらに、従来の燃料電池用電極では、電子伝導パス中に電解質が存在することから、触媒層1b、1cで良好な電流分布が得られず、カソード極11bの触媒層1bに電子を均一に供給したり、アノード極11cの触媒層1cで生成された電子を効率的に集電したりするための拡散層2b、2cが必要となる。この場合、拡散層2b、2cの分だけ電子抵抗が大きくなり、発電性能の制限も存在する。また、拡散層2b、2cは電極の構造を複雑化する場合もある。   Further, in the conventional fuel cell electrode, since an electrolyte is present in the electron conduction path, a good current distribution cannot be obtained in the catalyst layers 1b and 1c, and electrons are uniformly supplied to the catalyst layer 1b of the cathode electrode 11b. Or diffusion layers 2b and 2c for efficiently collecting electrons generated in the catalyst layer 1c of the anode 11c. In this case, the electronic resistance increases by the amount of the diffusion layers 2b and 2c, and there is a limitation on the power generation performance. In addition, the diffusion layers 2b and 2c may complicate the electrode structure.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、発電性能の向上、触媒含有量の低減及び構造の簡略化を達成し得る燃料電池用電極を提供することを解決すべき課題としている。そして、本発明は、その燃料電池用電極を用いた膜電極接合体及び燃料電池用セルを提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and it is a problem to be solved to provide a fuel cell electrode capable of achieving improvement in power generation performance, reduction in catalyst content, and simplification of the structure. It is said. And this invention makes it the subject which should be solved to provide the membrane electrode assembly and cell for fuel cells using the electrode for fuel cells.

本発明の燃料電池用電極は、電解質膜と当接する触媒層を有する燃料電池用電極において、
前記触媒層は、前記電解質膜の表面に対してグラフェンシートが略直角に配置され、各該グラフェンシートが該電解質膜の表面に平行な方向で一次元にしか延びないカーボンナノウォールを有し、
該カーボンナノウォールの各該グラフェンシートの表面には、触媒と、電解質からなるイオン伝導層とが設けられていることを特徴とする。
The fuel cell electrode of the present invention is a fuel cell electrode having a catalyst layer in contact with an electrolyte membrane.
The catalyst layer has carbon nanowalls in which graphene sheets are arranged substantially at right angles to the surface of the electrolyte membrane, and each graphene sheet extends only one-dimensionally in a direction parallel to the surface of the electrolyte membrane,
A catalyst and an ion conductive layer made of an electrolyte are provided on the surface of each graphene sheet of the carbon nanowall.

本発明の燃料電池用電極では、カーボンナノウォールのグラフェンシートが電解質膜の表面に対して略直角に配置され、グラフェンシート自体は電解質を含まない。これにより、触媒層内の電解質膜表面に対する略直角方向の電子伝導パスが短くなる。また、グラフェンシート自体は、カーボンの一体の構造物であるため、カーボン粒子が接触することで電子伝導パスが形成されるものに比べ、電子伝導パスは大きく形成される。つまり、電子抵抗が小さくなる。また、この燃料電池用電極では、各グラフェンシートの表面にイオン伝導層の電解質が設けられている。これにより、触媒層内の電解質膜表面に対する直角方向のイオン伝導パスが短くなる。つまり、イオン抵抗が小さくなる。そのため、電気化学的反応が効率的に行われ易い。   In the fuel cell electrode of the present invention, the graphene sheet of carbon nanowall is disposed substantially perpendicular to the surface of the electrolyte membrane, and the graphene sheet itself does not contain an electrolyte. This shortens the electron conduction path in a direction substantially perpendicular to the electrolyte membrane surface in the catalyst layer. Further, since the graphene sheet itself is an integral structure of carbon, the electron conduction path is formed larger than that in which the electron conduction path is formed by contact of the carbon particles. That is, the electronic resistance is reduced. In this fuel cell electrode, an electrolyte of an ion conductive layer is provided on the surface of each graphene sheet. Thereby, the ion conduction path in the direction perpendicular to the electrolyte membrane surface in the catalyst layer is shortened. That is, the ionic resistance is reduced. Therefore, the electrochemical reaction is easily performed efficiently.

また、この燃料電池用電極では、各グラフェンシートが電解質膜の表面に平行な方向で一次元しか延びていないカーボンナノウォールであるため、触媒層の一側面から一方向に連続している連続空間が形成されている。この連続空間はカーボン粒子間の細孔より大きいものとされ得る。このため、生成された水等はこの連続空間を経て好適に排水され、水素及び酸素の供給性も向上する。特に、ブロワにより一側面から酸素を供給すれば、生成水はこの流れに沿って他側面に好適に排水され、酸素の供給性は確実に向上する。そのため、電気化学的反応が効率的に行われ易い。   Also, in this fuel cell electrode, each graphene sheet is a carbon nanowall that extends only one dimension in a direction parallel to the surface of the electrolyte membrane, so that a continuous space that continues in one direction from one side of the catalyst layer Is formed. This continuous space can be larger than the pores between the carbon particles. For this reason, the produced | generated water etc. are suitably drained through this continuous space, and the supply property of hydrogen and oxygen improves. In particular, if oxygen is supplied from one side by a blower, the generated water is suitably drained along the flow to the other side, and the oxygen supply performance is reliably improved. Therefore, the electrochemical reaction is easily performed efficiently.

また、この燃料電池用電極では、触媒を各グラフェンシートの表面に設けており、水素や酸素は各グラフェンシート間の空間によって各グラフェンシートの表面に接触し、ほぼ全ての触媒が電気化学的反応に関与し、触媒含有量の低減が図られている。   In this fuel cell electrode, a catalyst is provided on the surface of each graphene sheet, and hydrogen and oxygen come into contact with the surface of each graphene sheet through a space between the graphene sheets, and almost all the catalysts undergo an electrochemical reaction. The catalyst content is reduced.

さらに、この燃料電池用電極では、電子伝導パスであるグラフェンシート中に電解質が存在しないことから、拡散層を設けなくても、カソード極での電子の供給、アノード極での電子の集電が良好に行われる。そのため、拡散層を省略でき、拡散層の分だけ電子抵抗をさらに小さくすることが可能であり、発電性能がさらに向上する。また、拡散層を省略すれば、電極の構造を簡略化することもできる。   Further, in this fuel cell electrode, since there is no electrolyte in the graphene sheet, which is an electron conduction path, the supply of electrons at the cathode electrode and the collection of electrons at the anode electrode can be performed without providing a diffusion layer. Done well. Therefore, the diffusion layer can be omitted, the electronic resistance can be further reduced by the amount of the diffusion layer, and the power generation performance is further improved. If the diffusion layer is omitted, the structure of the electrode can be simplified.

したがって、本発明の燃料電池用電極によれば、発電性能の向上、触媒含有量の低減及び構造の簡略化を達成することができる。   Therefore, according to the fuel cell electrode of the present invention, it is possible to improve the power generation performance, reduce the catalyst content, and simplify the structure.

なお、カーボンナノファイバやカーボンナノチューブも電解質が存在しない電子伝導パスを実現し得る材料として公知ではある(例えば、特開2005−203332号公報)。しかも、これら同士の間に空間を確保できると考えられる。しかしながら、これらは電子伝導パスを電解質膜の表面に対して略直角に配置することが困難であり、実用化に困難を伴うものと考えられる。また、これら同士の間に確保できる空間は、カーボンクロスの各繊維間及びカーボン粒子間の細孔と同程度又はより小さなものとなり易い。一方で、これら同士が互いに接触して配置することは困難であるため、カーボンナノファイバ等間の接触抵抗は大きくなる。つまり電子抵抗は大きくなってしまう。さらに空間を一方向に連続するように形成することは困難である。これに対し、カーボンナノウォールは、「RFプラズマCVDによるカーボンナノウォールの配向成長」(Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.9 September 2005 P.669-673)に開示されているように、基材の表面に対してグラフェンシートを略直角に配置することが可能である。また、各グラフェンシート間に比較的大きく一方向に連続する空間を設けることも可能である。そのため、成長させたカーボンナノウォールを電解質膜に貼り付けたり、基材に電解質膜を用いたりすること等によって、電子伝導パスを電解質膜の表面に対して略直角に配置することを容易に実現可能である。また、これにより排水性並びに水素及び酸素の供給性を向上させることも可能である。   Carbon nanofibers and carbon nanotubes are also known as materials that can realize an electron conduction path in which no electrolyte is present (for example, JP-A-2005-203332). Moreover, it is considered that a space can be secured between them. However, it is difficult to arrange the electron conduction path substantially at right angles to the surface of the electrolyte membrane, and it is considered that the practical use is difficult. Moreover, the space which can be ensured between these tends to be the same or smaller than the pores between the fibers of the carbon cloth and between the carbon particles. On the other hand, since it is difficult to arrange these in contact with each other, the contact resistance between the carbon nanofibers and the like increases. That is, the electronic resistance increases. Furthermore, it is difficult to form the space so as to be continuous in one direction. In contrast, carbon nanowalls are disclosed in “Oriented growth of carbon nanowalls by RF plasma CVD” (Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.9 September 2005 P.669-673). It is possible to dispose the graphene sheet substantially perpendicular to the surface of the substrate. Moreover, it is also possible to provide a relatively large and continuous space in one direction between the graphene sheets. Therefore, it is easy to arrange the electron conduction path at a right angle to the surface of the electrolyte membrane by attaching the grown carbon nanowall to the electrolyte membrane or using the electrolyte membrane as the base material. Is possible. In addition, it is possible to improve drainage properties and supply capability of hydrogen and oxygen.

本発明の燃料電池用電極では、グラフェンシートの表面には、導電性粒子に触媒が担持された触媒担持導電性粒子が設けられていことが好ましい。これにより、触媒層内で電気化学的反応が行われる反応面積が増加する。そのため、燃料電池の発電性能を向上させることができる。   In the fuel cell electrode of the present invention, the surface of the graphene sheet is preferably provided with catalyst-supporting conductive particles in which a catalyst is supported on the conductive particles. Thereby, the reaction area in which an electrochemical reaction is performed in a catalyst layer increases. Therefore, the power generation performance of the fuel cell can be improved.

本発明の膜電極接合体は、前記電解質膜と、該電解質膜を挟持し、前記触媒層が前記カーボンナノウォールを有する一対の燃料電池用電極とからなることを特徴とする。   The membrane electrode assembly of the present invention comprises the electrolyte membrane and a pair of fuel cell electrodes that sandwich the electrolyte membrane and the catalyst layer has the carbon nanowalls.

この膜電極接合体によれば、発電性能の向上、触媒含有量の低減及び構造の簡略化を達成し得る燃料電池用セル及び燃料電池用スタックが得られる。   According to this membrane electrode assembly, it is possible to obtain a fuel cell and a fuel cell stack that can achieve improved power generation performance, reduced catalyst content, and simplified structure.

また、本発明の燃料電池用セルは、該膜電極接合体と、一方の前記触媒層側に空気室を形成するとともに、他方の該触媒層側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えていることを特徴とする。   The cell for a fuel cell according to the present invention includes the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly so that an air chamber is formed on one catalyst layer side and a fuel chamber is formed on the other catalyst layer side. And a separator made of a conductive material forming a pair for sandwiching the body.

この燃料電池用セルによれば、発電性能の向上、触媒含有量の低減及び構造の簡略化を達成し得る燃料電池用スタックが得られる。   According to this fuel cell, a fuel cell stack that can achieve improved power generation performance, reduced catalyst content, and simplified structure can be obtained.

燃料電気用スタックは、前記膜電極接合体又は前記セルを多数組み合わせて得られる。   The fuel-electric stack is obtained by combining a large number of the membrane electrode assemblies or the cells.

この燃料電池用スタックが適用された燃料電池システムは、上述の理由により、高い発電性能を発揮する。   The fuel cell system to which the fuel cell stack is applied exhibits high power generation performance for the reasons described above.

以下、図面を参照しつつ、実施例を説明する。   Embodiments will be described below with reference to the drawings.

図1及び図2に示すように、実施例の燃料電池用電極13は、触媒層1がカーボンナノウォール3を有している。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the fuel cell electrode 13 of the example, the catalyst layer 1 has carbon nanowalls 3.

カーボンナノウォール3は、図3に示すように、各グラフェンシート31が一次元にしか延びていないストライプタイプのものである。各グラフェンシート31が延びる長さは数ナノメートルから数十ナノメートルであり、この長さが板状のカーボンナノウォール3の厚みになっている。このカーボンナノウォール3は、電解質膜11aの表面に対してグラフェンシート31が略直角に配置され、各グラフェンシート31の間には触媒層1の一側面から一方向に連続している連続空間5が存在している。   As shown in FIG. 3, the carbon nanowall 3 is of a stripe type in which each graphene sheet 31 extends only one-dimensionally. Each graphene sheet 31 extends from several nanometers to several tens of nanometers, and this length is the thickness of the plate-like carbon nanowall 3. In the carbon nanowall 3, a graphene sheet 31 is disposed at a substantially right angle with respect to the surface of the electrolyte membrane 11 a, and a continuous space 5 that is continuous in one direction from one side surface of the catalyst layer 1 between the graphene sheets 31. Is present.

各グラフェンシート31の両表面には、図4に示すように、Pt41が担持されているとともに、電解質からなるイオン伝導層6がコーティングされている。   As shown in FIG. 4, both surfaces of each graphene sheet 31 carry Pt 41 and are coated with an ion conductive layer 6 made of an electrolyte.

この燃料電池用電極13では、公知のカーボンクロス等からなる拡散層2が電解質膜11aとは反対側の面に形成されている。   In this fuel cell electrode 13, a diffusion layer 2 made of a known carbon cloth or the like is formed on the surface opposite to the electrolyte membrane 11a.

以上のように構成された燃料電池用電極13は、従来と同様、図6に示すように、膜電極接合体11とされる。この膜電極接合体11は、電解質膜11aと、触媒層1がカーボンナノウォール3等からなるカソード極11b及びアノード極11cとからなる。   The fuel cell electrode 13 configured as described above is a membrane electrode assembly 11 as shown in FIG. The membrane electrode assembly 11 includes an electrolyte membrane 11a, and a cathode electrode 11b and an anode electrode 11c in which the catalyst layer 1 is made of carbon nanowalls 3 or the like.

そして、この膜電極接合体11は、従来と同様、燃料電池用セル10とされる。この燃料電池用セル10は、膜電極接合体11と、一方の触媒層1側に空気室12bを形成するとともに、他方の触媒層1側に燃料室12cを形成するように膜電極接合体11を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータ12とを備えている。この燃料電池用セル10を多数積層し、燃料電池用スタックが得られる。   And this membrane electrode assembly 11 is made into the cell 10 for fuel cells similarly to the past. The fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly 11 and an air chamber 12b on one catalyst layer 1 side and a membrane electrode assembly 11 so that a fuel chamber 12c is formed on the other catalyst layer 1 side. And a separator 12 made of a conductive material forming a pair for sandwiching. A number of fuel cell cells 10 are stacked to obtain a fuel cell stack.

この燃料電池用スタックは、モータ、ブロワ、水素ボンベ、コントローラ等とともに燃料電池システムを構成する。そして、各空気室12bにはブロワによって空気が供給され、燃料室12cには水素ボンベ内の水素が供給される。これにより、触媒層1に供給される空気と水素との電気化学的反応により、カソード極11bとアノード極11cとの間に起電力を生じる。   This fuel cell stack constitutes a fuel cell system together with a motor, a blower, a hydrogen cylinder, a controller and the like. Air is supplied to each air chamber 12b by a blower, and hydrogen in a hydrogen cylinder is supplied to the fuel chamber 12c. Thereby, an electromotive force is generated between the cathode electrode 11b and the anode electrode 11c by an electrochemical reaction between the air supplied to the catalyst layer 1 and hydrogen.

この際、アノード極11cでは、水素が拡散層2を通じて触媒層1に供給される。触媒層1では、水素は各グラフェンシート31の間に存在する連続空間5に充満し、各グラフェンシート31の表面に設けられたPt42により酸化されてプロトン及び電子となる。生成されたプロトンは、イオン抵抗の小さいイオン伝導層6を通じて電解質膜11aへ供給され、電解質膜11aを通ってカソード極11bの触媒層1に達する。また、生成された電子は、電子抵抗の小さいグラフェンシート31を通じて拡散層2へ集電される。   At this time, hydrogen is supplied to the catalyst layer 1 through the diffusion layer 2 at the anode 11 c. In the catalyst layer 1, hydrogen fills the continuous space 5 existing between the graphene sheets 31, and is oxidized into protons and electrons by Pt 42 provided on the surface of each graphene sheet 31. The generated protons are supplied to the electrolyte membrane 11a through the ion conductive layer 6 having a low ionic resistance, and reach the catalyst layer 1 of the cathode electrode 11b through the electrolyte membrane 11a. Further, the generated electrons are collected to the diffusion layer 2 through the graphene sheet 31 having a low electronic resistance.

一方、カソード極11bでは、酸素と電子とが拡散層2を通じて触媒層1に供給される。また、プロトンが電解質膜11aを通じて触媒層1に供給される。そして、カソード極側の触媒層1では、酸素は各グラフェンシート31の間に存在する連続空間5に充満し、電子は、自体が電解質を含まずに電子抵抗の小さいグラフェンシート31を通じ、触媒層1全体に行き渡る。また、プロトンは、イオン抵抗の小さいイオン伝導層6を通じて触媒層1全体に行き渡る。このため、触媒層1のグラフェンシート31のほぼ全ての表面で酸素、電子及びプロトンによる電気化学的反応が生じる。その反応により、生成された水等は、連続空間5から拡散層2へ好適に排水されるため、水素及び酸素の供給性が向上する。そのため、電気化学的反応が効率的に行われ、発電性能が向上することになる。   On the other hand, at the cathode electrode 11 b, oxygen and electrons are supplied to the catalyst layer 1 through the diffusion layer 2. Protons are supplied to the catalyst layer 1 through the electrolyte membrane 11a. In the catalyst layer 1 on the cathode electrode side, oxygen fills the continuous space 5 existing between the graphene sheets 31, and electrons pass through the graphene sheet 31 having a low electronic resistance without containing an electrolyte. Go across the whole. Protons spread throughout the catalyst layer 1 through the ion conductive layer 6 having a low ion resistance. For this reason, an electrochemical reaction by oxygen, electrons, and protons occurs on almost the entire surface of the graphene sheet 31 of the catalyst layer 1. The water generated by the reaction is suitably drained from the continuous space 5 to the diffusion layer 2, so that the supply of hydrogen and oxygen is improved. Therefore, an electrochemical reaction is efficiently performed and power generation performance is improved.

また、この燃料電池用スタックにおいて、図1に示すように、電極13がカソード極11bである場合には、空気が触媒層1の一側面から一方向(矢印で示す方向)へ向けて供給される。また、電極13がアノード極11cである場合には、水素が触媒層1の一側面から一方向(矢印で示す方向)へ向けて供給される。その場合、拡散層2は、空気等を拡散する機能を必要とせず、電子を伝導する機能を有すれば足りるため、緻密体であることができる。また、カソード極11bにおいては、触媒層1内で電気化学的反応により水が生成されるが、その生成水は、この空気の流れを利用して触媒層1bの外へ好適に排水されるため、酸素の供給性が向上する。そのため、電気化学的反応は効率的に行われ、発電性能が向上することになる。   Further, in this fuel cell stack, as shown in FIG. 1, when the electrode 13 is the cathode electrode 11b, air is supplied from one side surface of the catalyst layer 1 in one direction (direction indicated by an arrow). The When the electrode 13 is the anode 11c, hydrogen is supplied from one side surface of the catalyst layer 1 in one direction (direction indicated by an arrow). In that case, the diffusion layer 2 does not need a function of diffusing air or the like, and only needs to have a function of conducting electrons, and thus can be a dense body. In the cathode electrode 11b, water is generated by an electrochemical reaction in the catalyst layer 1, and the generated water is suitably drained out of the catalyst layer 1b by using this air flow. , Oxygen supply is improved. Therefore, the electrochemical reaction is performed efficiently and the power generation performance is improved.

さらに、この実施例の燃料電池用スタックは、それを構成する燃料電池用電極13において、Pt41を触媒層1全体に分散して配置するのではなく、グラフェンシート31の表面にPt41単体を設けているため、電気化学的反応に関与しないPt41を無駄に含有することがなく、ほぼ全てのPt41が電気化学的反応に関与し、Ptの含有量の低減が図られている。   Further, in the fuel cell stack of this embodiment, in the fuel cell electrode 13 constituting the fuel cell stack, Pt 41 is not disposed in the entire catalyst layer 1 but is disposed on the surface of the graphene sheet 31. Therefore, Pt41 that does not participate in the electrochemical reaction is not wasted, and almost all Pt41 is involved in the electrochemical reaction, so that the Pt content is reduced.

したがって、実施例の燃料電池用スタックは、発電性能の向上、触媒含有量の低減及び構造の簡略化を達成できる。   Therefore, the fuel cell stack of the embodiment can achieve improved power generation performance, reduced catalyst content, and simplified structure.

上記実施例では、グラフェンシート31の両表面にPt41を担持させていたが、図5に示すように、各グラフェンシート31の両表面にPt担持カーボン4を設けてもよい。Pt担持カーボン4は、カーボン粒子42にPt41が担持された公知のものである。この場合、電気化学的反応が行なわれる反応面積が増加し、発電性能が向上する。   In the above embodiment, Pt41 is supported on both surfaces of the graphene sheet 31, but Pt-supporting carbon 4 may be provided on both surfaces of each graphene sheet 31, as shown in FIG. The Pt-supported carbon 4 is a known one in which Pt 41 is supported on the carbon particles 42. In this case, the reaction area where the electrochemical reaction is performed is increased, and the power generation performance is improved.

また、上記実施例の燃料電池用スタックでは、膜電極接合体11の拡散層2が触媒層1の電解質膜11aとは反対側の面に形成されていたが、拡散層2を設けない構成も可能である。この場合でも、カソード極11bでの電子の供給、アノード極11cでの電子の集電が良好に行われる。そのため、拡散層2を省略したとしても、拡散層2の分だけ電子抵抗がなくなるため、発電性能がさらに向上する。また、拡散層2を省略すれば、その分電極13、膜電極接合体11、セル10、ひいては燃料電池用スタックを薄くできるなど、構造の簡略化が図れる。   Further, in the fuel cell stack of the above embodiment, the diffusion layer 2 of the membrane electrode assembly 11 is formed on the surface of the catalyst layer 1 opposite to the electrolyte membrane 11a. Is possible. Even in this case, the supply of electrons at the cathode electrode 11b and the collection of electrons at the anode electrode 11c are favorably performed. Therefore, even if the diffusion layer 2 is omitted, the electric resistance is eliminated by the amount corresponding to the diffusion layer 2, so that the power generation performance is further improved. If the diffusion layer 2 is omitted, the structure can be simplified, for example, the electrode 13, the membrane electrode assembly 11, the cell 10, and eventually the fuel cell stack can be made thinner.

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit thereof.

本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a fuel cell system such as a moving power source for an electric vehicle, an outdoor stationary power source, and a portable power source.

実施例の膜電極接合体の一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of membrane electrode assembly of an Example. 実施例の膜電極接合体の一部を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows a part of membrane electrode assembly of an Example. 実施例のカーボンナノウォールの一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of carbon nanowall of an Example. 実施例の触媒層の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of catalyst layer of an Example. 触媒層の他の実施例を示す一部断面図である。It is a partial cross section figure showing other examples of a catalyst layer. 燃料電池用スタックの一部を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows a part of stack for fuel cells. 一般的な膜電極接合体を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a general membrane electrode assembly.

符号の説明Explanation of symbols

1…触媒層
11a…電解質膜
3…カーボンナノウォール
31…グラフェンシート
4…Pt担持カーボン
5…連続空間
6…イオン伝導層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Catalyst layer 11a ... Electrolyte membrane 3 ... Carbon nanowall 31 ... Graphene sheet 4 ... Pt carrying | support carbon 5 ... Continuous space 6 ... Ion conduction layer

Claims (4)

電解質膜と当接する触媒層を有する燃料電池用電極において、
前記触媒層は、前記電解質膜の表面に対してグラフェンシートが略直角に配置され、各該グラフェンシートが該電解質膜の表面に平行な方向で一次元にしか延びないカーボンナノウォールを有し、
該カーボンナノウォールの各該グラフェンシートの表面には、触媒と、電解質からなるイオン伝導層とが設けられていることを特徴とする燃料電池用電極。
In the fuel cell electrode having a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane,
The catalyst layer has carbon nanowalls in which graphene sheets are arranged substantially at right angles to the surface of the electrolyte membrane, and each graphene sheet extends only one-dimensionally in a direction parallel to the surface of the electrolyte membrane,
An electrode for a fuel cell, characterized in that a catalyst and an ion conductive layer made of an electrolyte are provided on the surface of each graphene sheet of the carbon nanowall.
各前記グラフェンシートの表面には、導電性粒子に前記触媒が担持された触媒担持導電性粒子が設けられている請求項1記載の燃料電池用電極。   2. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein catalyst-supporting conductive particles in which the catalyst is supported on conductive particles are provided on the surface of each graphene sheet. 前記電解質膜と、該電解質膜を挟持し、前記触媒層が前記カーボンナノウォールを有する請求項1又は2記載の一対の燃料電池用電極とからなることを特徴とする膜電極接合体。   3. A membrane electrode assembly comprising: the electrolyte membrane; and the pair of fuel cell electrodes according to claim 1 or 2, wherein the catalyst layer has the carbon nanowall sandwiching the electrolyte membrane. 請求項3記載の膜電極接合体と、一方の前記触媒層側に空気室を形成するとともに、他方の該触媒層側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えていることを特徴とする燃料電池のセル。   A membrane electrode assembly according to claim 3 and a pair of sandwiching the membrane electrode assembly so that an air chamber is formed on one catalyst layer side and a fuel chamber is formed on the other catalyst layer side. A fuel cell comprising a separator made of a conductive material.
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