JP2008016338A - Fuel cell, porous platinum sheet, and manufacturing method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の膜−電極接合体(MEA)を形成する触媒電極層に関する。 The present invention relates to a catalyst electrode layer that forms a membrane-electrode assembly (MEA) of a fuel cell.
従来、燃料電池では、触媒電極層であるアノードおよびカソードに、それぞれ、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスを供給することで電気化学反応を生じさせ、発電を行うようにしている。この触媒電極層は、例えば、触媒金属(白金、パラジウムなど。)の粒子が担持される、担体としてのカーボン粒子と、プロトン導電性の電解質(フッ素系樹脂など。)などから構成される(特許文献1参照)。 Conventionally, in a fuel cell, an anode and a cathode, which are catalyst electrode layers, are supplied with a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen, respectively, to generate an electrochemical reaction and generate power. . This catalyst electrode layer is composed of, for example, carbon particles as a carrier on which particles of a catalyst metal (platinum, palladium, etc.) are supported, a proton conductive electrolyte (fluorine resin, etc.), etc. (patent) Reference 1).
しかしながら、上述の燃料電池において、電気化学反応の進行に伴い熱が生じるが、この排熱がうまくできないと、触媒電極層が高温となって、カーボン粒子に担持された触媒金属粒子同士が固まる現象である、いわゆる、シンタリングが生じるおそれがあった。また、上述の燃料電池において、担体としてのカーボン粒子が電位の影響を受けて酸化(腐食)して消失し、そのため、シンタリングが生じるおそれがあった。このように、シンタリングが生じると、触媒金属粒子の表面積が減少し、そのため触媒金属の触媒作用が低下し、その結果、電気化学反応の進行が鈍化して、燃料電池の発電性能が低下するおそれがあった。 However, in the fuel cell described above, heat is generated as the electrochemical reaction proceeds, but if this exhaust heat is not successful, the catalyst electrode layer becomes high temperature and the catalyst metal particles supported on the carbon particles are solidified. There is a risk that so-called sintering may occur. Further, in the above-described fuel cell, the carbon particles as the carrier are oxidized (corroded) and lost due to the influence of the electric potential, and there is a possibility that sintering may occur. Thus, when sintering occurs, the surface area of the catalytic metal particles is reduced, so that the catalytic action of the catalytic metal is reduced. As a result, the progress of the electrochemical reaction is slowed down, and the power generation performance of the fuel cell is reduced. There was a fear.
なお、このような問題は、担体としてカーボン粒子を用いた場合に限らず、担体として所定の金属粒子(例えば、ニッケルなど。)を用いた場合にも共通する問題であった。 Such a problem is not limited to the case where carbon particles are used as a carrier, but is a common problem when predetermined metal particles (for example, nickel) are used as a carrier.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の触媒電極層において、触媒金属の触媒作用の低下による燃料電池の発電性能低下を抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and provides a technique for suppressing a decrease in power generation performance of a fuel cell due to a decrease in catalytic action of a catalyst metal in a catalyst electrode layer of the fuel cell. With the goal.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池では、
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
板状の多孔質白金シートと、
前記多孔質白金シートの内孔の表面に形成される電解質と、
を備えることを要旨とする。
In order to achieve at least a part of the above object, in the fuel cell of the present invention,
A fuel cell,
An electrolyte membrane;
A catalyst electrode layer formed on the electrolyte membrane;
With
The catalyst electrode layer is at least
A plate-like porous platinum sheet;
An electrolyte formed on the surface of the inner hole of the porous platinum sheet;
It is a summary to provide.
上記構成の燃料電池によれば、触媒電極層中に、触媒作用を持ち、粒子状ではない多孔質白金シートを備えているので、触媒電極層が、高温となったり、電位等の影響を受ける状況下となったとしても、多孔質白金シートの表面積が減少することを抑制でき、すなわち、触媒作用が低下することを抑制することができる。その結果、以上のようにすれば、触媒作用の低下による燃料電池の発電性能低下を抑制することが可能となる。 According to the fuel cell having the above configuration, the catalyst electrode layer is provided with a porous platinum sheet that has a catalytic action and is not in the form of particles, so that the catalyst electrode layer becomes hot or is affected by potential or the like. Even if it comes under a situation, it can suppress that the surface area of a porous platinum sheet reduces, ie, can suppress that a catalytic action falls. As a result, with the above configuration, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell due to a decrease in catalytic action.
上記燃料電池において、
前記多孔質白金シートは、前記電解質膜に接していることが好ましい。
In the fuel cell,
It is preferable that the porous platinum sheet is in contact with the electrolyte membrane.
このようにすれば、特に電解質膜との界面において、触媒作用の低下を抑制することが可能であり、それゆえ、発電性能の低下がより抑制される。 In this way, it is possible to suppress a decrease in catalytic action, particularly at the interface with the electrolyte membrane, and therefore a decrease in power generation performance is further suppressed.
上記燃料電池において、
前記電解質は、前記多孔質白金シートの内孔に加えて、該多孔質白金シートの表面にも形成されることが好ましい。
In the fuel cell,
The electrolyte is preferably formed on the surface of the porous platinum sheet in addition to the inner holes of the porous platinum sheet.
このようにすれば、発電効率を上昇させることができる。 If it does in this way, power generation efficiency can be raised.
上記燃料電池において、
前記多孔質白金シートの内孔は、厚さ方向に貫通する貫通孔としてもよい。
In the fuel cell,
The inner hole of the porous platinum sheet may be a through hole penetrating in the thickness direction.
このようにすれば、多孔質白金シートの内部(内孔)まで、電解質を塗布することが容易となる。また、多孔質白金シートの生成が容易となる。 If it does in this way, it will become easy to apply electrolyte to the inside (inner hole) of a porous platinum sheet. Moreover, the production | generation of a porous platinum sheet becomes easy.
上記燃料電池において、
前記貫通孔は、フェムト秒レーザを用いて開けられることが好ましい。
In the fuel cell,
The through hole is preferably opened using a femtosecond laser.
このようにすれば、白金シートから多孔質白金シートを容易に作成することができる。 If it does in this way, a porous platinum sheet can be easily created from a platinum sheet.
上記燃料電池において、
前記多孔質白金シートは、白金粒子を焼結することによって生成されることが好ましい。
In the fuel cell,
The porous platinum sheet is preferably generated by sintering platinum particles.
このようにすれば、三次元的に広がる微細路を備えている多孔質白金シートを生成することが可能となる。 In this way, it is possible to generate a porous platinum sheet having a three-dimensionally expanding fine path.
上記燃料電池において、
前記多孔質白金シートにおいて、少なくとも前記電解質膜側とは反対側の表面が、凹凸状に形成されていることが好ましい。
In the fuel cell,
In the porous platinum sheet, it is preferable that at least the surface opposite to the electrolyte membrane side is formed in an uneven shape.
このようにすれば、多孔質白金シートにおいて、電解質膜側との反対側表面の表面積を、増加させることができ、すなわち、多孔質白金シートにおいて、電解質膜側との反対側から供給される反応ガスとの反応面積を増加させることができる。その結果、発電効率を向上させることができる。 In this way, the surface area of the surface opposite to the electrolyte membrane side can be increased in the porous platinum sheet, that is, the reaction supplied from the side opposite to the electrolyte membrane side in the porous platinum sheet. The reaction area with the gas can be increased. As a result, power generation efficiency can be improved.
上記燃料電池において、
前記多孔質白金シートにおいて、少なくとも前記電解質膜側とは反対側の表面を、エッチング処理することにより、前記凹凸状に形成するようにしてもよい。
In the fuel cell,
In the porous platinum sheet, at least the surface opposite to the electrolyte membrane may be etched to form the irregularities.
このようにすれば、エッチング処理を行うことにより、多孔質白金シートにおいて、電解質膜側との反対側表面の表面積を、増加させることができ、すなわち、多孔質白金シートにおいて、電解質膜側との反対側から供給される反応ガスとの反応面積を増加させることができる。その結果、発電効率を向上させることができる。 In this way, by performing the etching treatment, the surface area of the surface opposite to the electrolyte membrane side can be increased in the porous platinum sheet, that is, in the porous platinum sheet, the surface area of the electrolyte membrane side can be increased. The reaction area with the reaction gas supplied from the opposite side can be increased. As a result, power generation efficiency can be improved.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池用膜−電極接合体では、
燃料電池用膜−電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
板状の多孔質白金シートと、
前記多孔質白金シートの内孔の表面に形成される電解質と、
を備えることを要旨とする。
In order to achieve at least a part of the above object, in the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention,
A fuel cell membrane-electrode assembly comprising:
An electrolyte membrane;
A catalyst electrode layer formed on the electrolyte membrane;
With
The catalyst electrode layer is at least
A plate-like porous platinum sheet;
An electrolyte formed on the surface of the inner hole of the porous platinum sheet;
It is a summary to provide.
上記構成の燃料電池用膜−電極接合体によれば、触媒作用を持ち、粒子状ではない多孔質白金シートを備えているので、触媒電極層が、高温となったり、電位等の影響を受ける状況下となったとしても、多孔質白金シートの表面積が減少することを抑制でき、すなわち、触媒作用が低下することを抑制することができる。その結果、以上のようにすれば、この燃料電池用膜−電極接合体を燃料電池に用いた場合に、燃料電池において、触媒作用の低下によって、発電性能低下を抑制することが可能となる。 According to the membrane-electrode assembly for a fuel cell having the above-described structure, the catalyst electrode layer has a high temperature or is affected by potential or the like because it includes a porous platinum sheet that has a catalytic action and is not particulate. Even if it comes under a situation, it can suppress that the surface area of a porous platinum sheet reduces, ie, can suppress that a catalytic action falls. As a result, when the fuel cell membrane-electrode assembly is used in a fuel cell, the fuel cell can suppress a decrease in power generation performance due to a decrease in catalytic action.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池の製造方法では、
燃料電池の製造方法であって、
(A)板状の多孔質白金シートを用意する工程と、
(B)電解質を含むディスパージョンを用意する工程と、
(C)前記ディスパージョンを前記多孔質白金シートに塗布する工程と、
(D)前記多孔質白金シートに塗布した前記ディスパージョンを乾燥させる工程と、
(E)電解質膜を用意する工程と、
(F)前記ディスパージョンが塗布された面とは反対面と、前記電解質膜とが対向するように、前記多孔質白金シートを前記電解質膜上に配置する工程と、
(G)前記電解質膜と前記多孔質白金シートとを接合する工程と、
を備えることを要旨とする。
In order to achieve at least a part of the above object, in the method for producing a fuel cell of the present invention,
A fuel cell manufacturing method comprising:
(A) preparing a plate-like porous platinum sheet;
(B) preparing a dispersion containing an electrolyte;
(C) applying the dispersion to the porous platinum sheet;
(D) drying the dispersion applied to the porous platinum sheet;
(E) preparing an electrolyte membrane;
(F) disposing the porous platinum sheet on the electrolyte membrane so that the surface opposite to the surface on which the dispersion is applied and the electrolyte membrane face each other;
(G) joining the electrolyte membrane and the porous platinum sheet;
It is a summary to provide.
上記構成の燃料電池の製造方法によれば、触媒電極層中に、触媒作用を持ち、粒子状ではない多孔質白金シートを備えた燃料電池を製造することが可能となる。そして、この燃料電池は、触媒電極層が、高温となったり、電位等の影響を受ける状況下となったとしても、多孔質白金シートの表面積が減少することを抑制でき、すなわち、触媒作用が低下することを抑制することができる。その結果、この燃料電池において、触媒作用の低下による発電性能低下を抑制することが可能となる。 According to the method for manufacturing a fuel cell having the above-described configuration, it becomes possible to manufacture a fuel cell including a porous platinum sheet that has a catalytic action and is not particulate in the catalyst electrode layer. This fuel cell can suppress the reduction of the surface area of the porous platinum sheet even when the catalyst electrode layer is at a high temperature or under the influence of an electric potential or the like. It can suppress that it falls. As a result, in this fuel cell, it is possible to suppress a decrease in power generation performance due to a decrease in catalytic action.
上記燃料電池の製造方法において、
前記工程(A)において、
板状な白金シートを用意する工程と、
前記白金シートに複数の貫通孔を開け、前記多孔質白金シートを作製する工程と、
を備えるようにしてもよい。
In the fuel cell manufacturing method,
In the step (A),
Preparing a plate-like platinum sheet;
Opening a plurality of through holes in the platinum sheet, and producing the porous platinum sheet;
You may make it provide.
このようにすれば、複数の貫通孔を備えた多孔質白金シートを用意することが可能となる。 In this way, it is possible to prepare a porous platinum sheet having a plurality of through holes.
なお、本発明は、上記した燃料電池や燃料電池用膜−電極接合体などの態様に限られることなく、例えば、燃料電池用触媒電極層や多孔質白金シートなどの態様として実現することも可能である。また、燃料電池の製造方法などの態様に限られることなく、例えば、燃料電池用触媒電極層の製造方法や燃料電池用膜電極接合体(MEA)の製造方法などの態様として実現することも可能である。 The present invention is not limited to the above-described aspects such as a fuel cell and a fuel-cell membrane-electrode assembly, and can also be realized, for example, as an aspect such as a fuel-cell catalyst electrode layer or a porous platinum sheet. It is. Further, the present invention is not limited to a method such as a fuel cell manufacturing method, and may be realized as a method such as a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode layer or a fuel cell membrane electrode assembly (MEA). It is.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.燃料電池の構成:
B.触媒電極層の構成:
C.触媒電極層を有するMEAの製造方法:
D.実施例と比較例の実験結果:
E.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Configuration of catalyst electrode layer:
C. Method for producing MEA having catalyst electrode layer:
D. Experimental results of examples and comparative examples:
E. Variation:
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、例えば固体高分子電解質型燃料電池とすることができ、単セル10を複数積層したスタック構造を有している。単セル10は、電解質膜21と、電解質膜21の両面に形成される触媒電極層(カソード22およびアノード23)とから成るMEA24を備える。また、単セル10は、MEA24の外側に第1ガス拡散層31,32を備え、さらに、その外側に第2ガス拡散層33,34を備えている。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell of the present embodiment can be a solid polymer electrolyte fuel cell, for example, and has a stack structure in which a plurality of
電解質膜21は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。触媒電極層であるカソード22およびアノード23についての詳細は、後述する。
The
第1ガス拡散層31,32は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。また、第2ガス拡散層33,34は、導電性を有し、第1ガス拡散層31,32よりも比較的大きな細孔からなる多孔質部材であり、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。 The first gas diffusion layers 31 and 32 are conductive carbon porous members, and are formed of, for example, carbon cloth or carbon paper. In addition, the second gas diffusion layers 33 and 34 are conductive porous members having relatively larger pores than the first gas diffusion layers 31 and 32. For example, a carbon porous material such as carbon paper is used. Or a porous metal body such as a metal mesh or foam metal.
ガスセパレータ35,36は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。ガスセパレータ35,36の表面には、単セル10に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード22側の第2ガス拡散層33とガスセパレータ35との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路37が形成されている。また、アノード23側の第2ガス拡散層34とガスセパレータ36との間には、アノードでの電気化学反応に供される燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路38が形成されている。なお、図1のガスセパレータ35,36は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、ガスセパレータ35,36とMEA24との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。
The
単セル10の外周部には、単セル内酸化ガス流路37および単セル内燃料ガス流路38におけるガスシール性を確保するためのシール部材(図示しない)が配設されている。また、本実施例の燃料電池は、単セル10を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル10の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている(図示せず)。これら複数のガスマニホールドのうちの酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル10に分配され、第2ガス拡散層33および第1ガス拡散層31を拡散しMEAにて電気化学反応に供されつつ、各単セル内酸化ガス流路37内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。同様に、燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル10に分配され、第2ガス拡散層34および第1ガス拡散層32を拡散しMEAにて電気化学反応に供されつつ、各単セル内燃料ガス流路38内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。
A sealing member (not shown) is provided on the outer peripheral portion of the
燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。 For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell. Further, as the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high purity hydrogen gas may be used.
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるガスセパレータ35と、これに隣接して設けられる他方の単セルのガスセパレータ36との間に設ければよい。
Although illustration is omitted, in order to adjust the internal temperature of the stack structure, a refrigerant flow path through which the refrigerant passes may be provided between the single cells or every time a predetermined number of single cells are stacked. good. The refrigerant flow path may be provided between the adjacent single cells and between the
B.触媒電極層の構成:
図2は、図1の点線領域Xの拡大図であり、触媒電極層(カソード22)の断面を模式的に表わす説明図である。図3は、図1のA−A断面を表わす説明図である。すなわち、この図3は、カソード22と第1ガス拡散層31との界面の様子を示す。触媒電極層であるカソード22は、白金シート40と、電解質45とから構成される。
B. Configuration of catalyst electrode layer:
FIG. 2 is an enlarged view of the dotted line region X of FIG. 1, and is an explanatory view schematically showing a cross section of the catalyst electrode layer (cathode 22). FIG. 3 is an explanatory diagram showing the AA cross section of FIG. 1. That is, FIG. 3 shows the state of the interface between the
この白金シート40は、白金から成る長方形の板状材料であり、例えば、厚さが5μm〜50μmのものを用いることができる。また、この白金シート40は、表面が触媒金属として働く。そして、この白金シート40は、図2、3に示すように、厚さ方向に貫通する複数の孔部42を備えた多孔質体となっており、さらに、第1ガス拡散層31側の表面が、エッチング処理されて凹凸状(若しくは、ぎざぎざ状)となっている。
The
また、電解質45は、白金シート40の孔部42の表面(図2参照)と、白金シート40の第1ガス拡散層31側の表面(凹凸状)(図2,3参照)に形成されている。特に、白金シート40の第1ガス拡散層31側の表面(凹凸状)では、図3に示すように、この電解質45は、まだら状に形成される。これにより、酸化ガスと、触媒金属(白金シート40)と、電解質45が三層界面を形成することが可能となる。この電解質45は、プロトン伝導性を有する材料、例えば、フッ素系樹脂などを用いることができる。
Further, the electrolyte 45 is formed on the surface of the hole 42 of the platinum sheet 40 (see FIG. 2) and the surface of the
以上のように、本実施例の燃料電池のカソード22は、表面が触媒作用を持ち、粒子状ではなく板状の白金シート40から構成される。このようにすれば、電気化学反応の進行に伴って生じる熱の排熱がうまくできず、カソード22が高温となっても、白金シート40は、粒子状ではないので、白金シート40の表面積が減少することを抑制でき、すなわち、高温によって触媒作用が低下することを抑制することができる。また、カソード22は、担体を含んでおらず、また、白金は、酸化しにくいので、電位等の影響によって酸化(腐食)することが少ない。従って、カソード22において、電位等の影響により白金シート40の表面積が減少することを抑制でき、すなわち、カソード22において、電位等の影響によって触媒作用が低下することを抑制することができる。その結果、以上のようにすれば、カソード22において、触媒作用の低下による燃料電池の発電性能低下を抑制することが可能となる。なお、電解質膜21と触媒電極層との界面付近がもっとも電気化学反応が活発であるが、上記白金シート40は、電解質膜21に接するように形成されているので、特に電解質膜21との界面において、上記のように触媒作用の低下を抑制することが可能であり、それゆえ、発電性能の低下がより抑制される。
As described above, the
また、以上のように、カソード22において、白金シート40の第1ガス拡散層31側の表面を、エッチング処理して凹凸状としている。このようにすれば、白金シート40の第1ガス拡散層31側の表面積を増加させることができ、すなわち、白金シート40において、第1ガス拡散層31側から供給される酸化ガスとの反応面積を増加させることができる。その結果、発電効率を向上させることができる。
Further, as described above, the surface of the
なお、アノード23についても、カソード22と同様に、白金シート40と、電解質45とから構成され、上記カソード22と同様の効果を奏することが可能である。
The
C.触媒電極層を有するMEAの製造方法:
図4は、燃料電池の製造時に実行される触媒電極層(カソード22およびアノード23)を有するMEA24の製造工程を表わす説明図である。触媒電極層を作製するには、まず、白金シート40を用意する(ステップS100)。
C. Method for producing MEA having catalyst electrode layer:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the MEA 24 having the catalyst electrode layer (
次に、用意した白金シート40の一面に、王水液(硫酸水溶液)でエッチング処理を施す(ステップS110)。
Next, an etching process is performed on one surface of the
続いて、白金シート40において、エッチング処理を施した面に対して、フェムト秒レーザを用いて、貫通孔である孔部42を生成する(ステップS120)。この孔部42は、白金シート40において、空孔率が5%〜20%程度になるように、孔径、および、間隔が決定されることを好ましい。例えば、孔部42は、孔径が10μmであり、間隔を10μmごとに生成するようにしてもよい。なお、空孔率とは、白金シート40全体の体積に対する孔部42の体積率を表わす。
Then, the hole part 42 which is a through-hole is produced | generated using the femtosecond laser with respect to the surface which performed the etching process in the platinum sheet 40 (step S120). It is preferable that the hole diameter and the interval of the hole 42 are determined so that the porosity of the
次に、水と電解質45との混合液であるディスパージョン(電解液)を用意する(ステップS130)。 Next, a dispersion (electrolytic solution) that is a mixed solution of water and the electrolyte 45 is prepared (step S130).
そして、ディスパージョンを、白金シート40のエッチング処理が施され、さらに、孔部42が形成された面に塗布する(ステップS140)。この場合、例えば、スプレー噴射やスクリーン印刷などで行うことが好ましい。
Then, the dispersion is applied to the surface on which the
塗布後、白金シート40でディスパージョンを乾燥させる(ステップS150)。この場合、例えば、80℃の空気雰囲気下に10分間置くことで乾燥させる。 After the application, the dispersion is dried with the platinum sheet 40 (step S150). In this case, for example, the substrate is dried by being placed in an air atmosphere at 80 ° C. for 10 minutes.
上記ステップS100〜ステップS150の工程を繰り返すことによって、白金シート40上に電解質45が形成された生成体(以下では、塗布後白金シートとも呼ぶ。)を2つ用意する。そして、電解質膜21を用意して、その電解質膜21の両面に、塗布後白金シートを配置する(ステップS160)。この場合、塗布後白金シートは、電解質塗布面の反対面(エッチング処理がなされてない面)と、電解質膜21とが対向するように配置される。
By repeating the steps S100 to S150, two products (hereinafter also referred to as post-application platinum sheets) in which the electrolyte 45 is formed on the
そして、ステップS160の工程で生成された生成体(電解質膜21の両面に塗布後白金シートが配置された部材)をホットプレスして(ステップS170)、電解質膜21と触媒電極層とを接合し、電解質膜21の両面に触媒電極層が形成されたMEAが完成する。なお、この場合、例えば、100℃、1MPaでホットプレスする。
Then, the product (the member in which the platinum sheet is applied on both surfaces of the electrolyte membrane 21) generated in the process of step S160 is hot-pressed (step S170) to join the
以上のようにすれば、貫通孔である孔部42を複数有する白金シート40を備えた触媒電極層を作製することが可能である。
If it does as mentioned above, it is possible to produce the catalyst electrode layer provided with the
D.実施例と比較例の実験結果:
図5は、本実施例の燃料電池と、本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる燃料電池との耐久度を比較した実験結果を示す図である。この実験結果は、本実施例の燃料電池、および、本実施例の燃料電池に対して触媒電極層の構成が異なる燃料電池(比較例の燃料電池と呼ぶ。)において、実験開始直後の電圧に対する3000時間運転(発電)した後の電圧維持率を示している。比較例の燃料電池は、触媒電極層(カソード22)以外の構成(電解質膜21、第1ガス拡散層、第2ガス拡散層、および、ガスセパレータなど。)は、本実施例の燃料電池と同様である。
D. Experimental results of examples and comparative examples:
FIG. 5 is a diagram showing experimental results comparing the durability of the fuel cell of this example and a fuel cell having a different catalyst electrode layer configuration from the fuel cell of this example. This experimental result shows that the voltage of the fuel cell of this example and the fuel cell of this example having a different catalyst electrode layer configuration (referred to as a fuel cell of the comparative example) immediately after the start of the experiment. The voltage maintenance rate after 3000 hours of operation (power generation) is shown. The fuel cell of the comparative example has a configuration (
実験に用いた本実施例の燃料電池は、触媒電極層のうち、カソード22のみが、上述のように、白金シート40と電解質45から構成され、アノード23は、従来のように、白金が担持されたカーボン(以下では、担持カーボンとも呼ぶ。)と、電解質45とから構成されている。一方、比較例1の燃料電池は、カソード、アノードともに、担持カーボンと、電解質45のみから構成される。
In the fuel cell of this example used in the experiment, only the
本実施例の燃料電池のカソード22では、白金シート40として、厚さが10μm、孔部42の孔径が10μm、孔部42の間隔が10μm、空孔率が約19%の白金シートと、電解質45として、高分子電解質(デュポン社製、SE20092)1.1gを用いた。一方、比較例の燃料電池のカソードでは、担持カーボンとして、45質量%の白金を担持した炭素粒子(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックEC)1gを用い、電解質として、高分子電解質(デュポン社製、SE20092)2.2gを用いた。
In the
また、本実施例、および、比較例の燃料電池のアノードでは、担持カーボンとして、30質量%の白金を担持した炭素粒子(日本キャボット社製、バルカンXC−72R)1gを用い、電解質として、高分子電解質(デュポン社製、SE20092)3.5gを用いた。なお、電解質膜としては、フッ素系固体高分子膜(デュポン社製、Nafion112)を用意した。 Moreover, in the anodes of the fuel cells of the present example and the comparative example, 1 g of carbon particles (Nippon Cabot Co., Ltd., Vulcan XC-72R) supporting 30% by mass of platinum was used as the supporting carbon. 3.5 g of molecular electrolyte (manufactured by DuPont, SE20092) was used. In addition, as an electrolyte membrane, a fluorine-based solid polymer membrane (manufactured by DuPont, Nafion 112) was prepared.
本実施例、および、比較例の燃料電池では、以上の材料を用いて、MEAを作製(図4参照)し、そのMEAを第1ガス拡散層、第2ガス拡散層の順に挟持し、最後に、その積層体をガスセパレータで挟持することで単セルを作製した。 In the fuel cells of this example and the comparative example, an MEA is manufactured using the above materials (see FIG. 4), and the MEA is sandwiched in the order of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer. In addition, a single cell was manufactured by sandwiching the laminate with a gas separator.
実際の燃料電池は、単セルを複数積層した構造を有しているが、図5に示す実験結果は、本実施例、および、比較例の燃料電池について、単セルの状態で発電を行なわせた場合の結果である。発電の際には、燃料ガスとしては純度の高い水素ガスを大過剰量用い、酸化ガスとしては空気を大過剰量用いた。このとき、各燃料電池の運転温度は、90℃とし、燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、バブラ温度が50℃となるように加湿した。各燃料電池における電極面積は25cm2 とした。各燃料電池を3000時間運転し、その間の負荷は、0.5A/cm2を維持した。 Although an actual fuel cell has a structure in which a plurality of single cells are stacked, the experimental results shown in FIG. 5 show that the fuel cells of the present example and the comparative example are allowed to generate power in a single cell state. It is a result in the case of. During power generation, a large excess of high purity hydrogen gas was used as the fuel gas, and a large excess of air was used as the oxidizing gas. At this time, the operating temperature of each fuel cell was 90 ° C., and the fuel gas and the oxidizing gas were humidified so that the bubbler temperature was 50 ° C., respectively. The electrode area in each fuel cell was 25 cm 2 . Each fuel cell was operated for 3000 hours, during which the load was maintained at 0.5 A / cm 2 .
図5に示すように、本実施例の燃料電池は、比較例の燃料電池と比べて、大幅に電圧降下を抑制することができた。このことから、本実施例の燃料電池は、比較例の燃料電池と比較して、カソード22において、触媒金属の表面積の減少を抑制することができ、触媒金属の触媒作用が低下を抑制することができると考えられる。
As shown in FIG. 5, the fuel cell of the present example was able to significantly suppress the voltage drop compared to the fuel cell of the comparative example. From this, the fuel cell of the present embodiment can suppress the reduction of the surface area of the catalytic metal at the
E.変形例:
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
E. Variation:
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
E1.変形例1:
図6は、変形例1として白金シート40を備えるMEA24Aの概略断面図である。上記実施例の燃料電池の触媒電極層では、白金シート40と電解質45のみから構成され、電解質膜21上に設けるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、触媒電極層(カソード22またはアノード23)を、担持カーボンと電解質からなる担持カーボン層と、白金シート40とから構成するようにしてもよい。この場合、図6に示すように、電解質膜21上に担持カーボン層を配置し、さらに、その積層体上に白金シート40を配置するようにしてもよいし、電解質膜21上に白金シート40を配置し、その積層体上に担持カーボン層を配置するようにしてもよい。このようにすれば、触媒電極層において、白金シート40の厚さを抑制することができ、すなわち、触媒電極層に用いる白金量を抑制することができる。
E1. Modification 1:
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an MEA 24A including a
E2.変形例2:
上記実施例の燃料電池で用いられる白金シート40は、貫通孔である孔部42を複数備えていたが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、白金シート40は、三次元的に広がる微細路を備えている白金シートとしてもよい。この場合、白金シート40は、例えば、白金粉末を焼結することによって生成し、また、電解質45を含むディスパージョンをスプレー噴射で、白金シート40の表面および内孔に塗布する。このようにして生成された白金シート40を用いても、上記同様の効果を奏することができる。また、この白金シート40は、三次元的に広がる微細路を備えているので、反応ガスとの反応面積を向上させることができる。
E2. Modification 2:
Although the
10...単セル
21...電解質膜
22...カソード
23...アノード
31...第1ガス拡散層
32...第1ガス拡散層
33...第2ガス拡散層
34...第2ガス拡散層
35...ガスセパレータ
36...ガスセパレータ
37...単セル内酸化ガス流路
38...単セル内燃料ガス流路
40...白金シート
42...孔部
45...電解質
DESCRIPTION OF
Claims (11)
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
板状の多孔質白金シートと、
前記多孔質白金シートの内孔の表面に形成される電解質と、
を備えることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte membrane;
A catalyst electrode layer formed on the electrolyte membrane;
With
The catalyst electrode layer is at least
A plate-like porous platinum sheet;
An electrolyte formed on the surface of the inner hole of the porous platinum sheet;
A fuel cell comprising:
前記多孔質白金シートは、前記電解質膜に接していることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell, wherein the porous platinum sheet is in contact with the electrolyte membrane.
前記電解質は、前記多孔質白金シートの内孔に加えて、該多孔質白金シートの表面にも形成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell is characterized in that the electrolyte is formed not only on the inner hole of the porous platinum sheet but also on the surface of the porous platinum sheet.
前記多孔質白金シートの内孔は、厚さ方向に貫通する貫通孔であることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
An inner hole of the porous platinum sheet is a through hole penetrating in a thickness direction.
前記貫通孔は、フェムト秒レーザを用いて開けられることを特徴とする燃料電池 The fuel cell according to claim 4, wherein
The fuel cell, wherein the through-hole is opened using a femtosecond laser
前記多孔質白金シートは、白金粒子を焼結することによって生成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The porous platinum sheet is produced by sintering platinum particles.
前記多孔質白金シートにおいて、少なくとも前記電解質膜側とは反対側の表面が、凹凸状に形成されていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
In the porous platinum sheet, at least a surface opposite to the electrolyte membrane side is formed in a concavo-convex shape.
前記多孔質白金シートにおいて、少なくとも前記電解質膜側とは反対側の表面を、エッチング処理することにより、前記凹凸状に形成していることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 7, wherein
In the porous platinum sheet, at least a surface opposite to the electrolyte membrane side is etched to form the irregularity in the fuel cell.
電解質膜と、
前記電解質膜上に形成される触媒電極層と、
を備え、
前記触媒電極層は、少なくとも、
板状の多孔質白金シートと、
前記多孔質白金シートの内孔の表面に形成される電解質と、
を備えることを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体。 A fuel cell membrane-electrode assembly comprising:
An electrolyte membrane;
A catalyst electrode layer formed on the electrolyte membrane;
With
The catalyst electrode layer is at least
A plate-like porous platinum sheet;
An electrolyte formed on the surface of the inner hole of the porous platinum sheet;
A membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising:
(A)板状の多孔質白金シートを用意する工程と、
(B)電解質を含むディスパージョンを用意する工程と、
(C)前記ディスパージョンを前記多孔質白金シートに塗布する工程と、
(D)前記多孔質白金シートに塗布した前記ディスパージョンを乾燥させる工程と、
(E)電解質膜を用意する工程と、
(F)前記ディスパージョンが塗布された面とは反対面と、前記電解質膜とが対向するように、前記多孔質白金シートを前記電解質膜上に配置する工程と、
(G)前記電解質膜と前記多孔質白金シートとを接合する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method comprising:
(A) preparing a plate-like porous platinum sheet;
(B) preparing a dispersion containing an electrolyte;
(C) applying the dispersion to the porous platinum sheet;
(D) drying the dispersion applied to the porous platinum sheet;
(E) preparing an electrolyte membrane;
(F) disposing the porous platinum sheet on the electrolyte membrane so that the surface opposite to the surface on which the dispersion is applied and the electrolyte membrane face each other;
(G) joining the electrolyte membrane and the porous platinum sheet;
A method of manufacturing a fuel cell comprising:
前記工程(A)において、
板状な白金シートを用意する工程と、
前記白金シートに複数の貫通孔を開け、前記多孔質白金シートを作製する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。 The method of manufacturing a fuel cell according to claim 10,
In the step (A),
Preparing a plate-like platinum sheet;
Opening a plurality of through holes in the platinum sheet, and producing the porous platinum sheet;
A method of manufacturing a fuel cell comprising:
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---|---|---|---|
JP2006186824A JP2008016338A (en) | 2006-07-06 | 2006-07-06 | Fuel cell, porous platinum sheet, and manufacturing method of fuel cell |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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2006
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