JP2009021224A - Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池用膜電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell.
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.
直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。 A direct methanol fuel cell (DMFC) is promising as a power source for portable electronic devices because it can be miniaturized and can easily handle fuel.
DMFCは、燃料極と空気極との間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体(燃料電池セル)を備えており、燃料極と空気極はそれぞれガス拡散層と触媒層とを有し、その触媒層で電解質膜に接している。また、燃料極および空気極の各触媒層は、例えばPt等の触媒を多孔質の担体に担持させてなる触媒粒子をプロトン伝導性を有する高分子バインダーにより一体化することにより形成されている。 The DMFC includes a membrane electrode assembly (fuel cell) having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode and the air electrode each have a gas diffusion layer and a catalyst layer. The catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane. The catalyst layers of the fuel electrode and the air electrode are formed by, for example, integrating catalyst particles obtained by supporting a catalyst such as Pt on a porous carrier with a polymer binder having proton conductivity.
このようなDMFCでは、燃料極に燃料のメタノールを導入すると、メタノールはガス拡散層を介して触媒層に達し、その触媒作用によりプロトン、電子および二酸化炭素を生成する。プロトンはプロトン伝導性を有する高分子バインダーの作用により触媒層から電解質膜に移動し、さらに、空気極側の触媒層へと移動する。一方、空気極に空気を導入すると、空気はガス拡散層を介して触媒層に達する。そして、この触媒層で、空気中の酸素と燃料極側から移動してきたプロトンと燃料極から外部回路を通じて供給される電子とが反応して水を生成するとともに、前記外部回路を通る電子によって電力が供給される。 In such a DMFC, when fuel methanol is introduced into the fuel electrode, the methanol reaches the catalyst layer through the gas diffusion layer, and protons, electrons, and carbon dioxide are generated by the catalytic action. Protons move from the catalyst layer to the electrolyte membrane by the action of the polymer binder having proton conductivity, and further move to the catalyst layer on the air electrode side. On the other hand, when air is introduced into the air electrode, the air reaches the catalyst layer through the gas diffusion layer. In this catalyst layer, oxygen in the air, protons moving from the fuel electrode side, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit react to generate water, and electric power is generated by electrons passing through the external circuit. Is supplied.
従来、前記電解質膜および前記各触媒層のプロトン伝導性を有する高分子バインダーとしては、スルホン酸基を有するフッ素系高分子化合物、例えばデュポン社製のナフィオン(商品名)等が、プロトン伝導性に優れることから広く用いられている。しかし、このフッ素系高分子化合物は非常に高価であるという問題がある。 Conventionally, as the polymer binder having proton conductivity of the electrolyte membrane and each catalyst layer, a fluorine-based polymer compound having a sulfonic acid group, for example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont has been used for proton conductivity. Widely used because of its superiority. However, there is a problem that this fluorine-based polymer compound is very expensive.
そこで、上記フッ素系高分子化合物に代わる廉価な材料として、炭化水素系のプロトン伝導性を有する高分子化合物を電解質膜に用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 Therefore, it has been proposed to use a hydrocarbon-based polymer compound having proton conductivity as an inexpensive material instead of the fluorine-based polymer compound (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、この炭化水素系のプロトン伝導性を有する高分子化合物で形成された電解質膜は、従来のスルホン酸基を有するフッ素系高分子化合物をバインダーとして用いた触媒層との接合性に乏しく、界面剥離を生ずるという問題があった。これは、フッ素系高分子化合物と炭化水素系高分子化合物との相溶性が低いことによるもので、界面剥離が生ずると、プロトンの電解質膜への移動性が損なわれ、出力低下の要因となる。また、耐久性も低下する。 However, this electrolyte membrane formed of a hydrocarbon-based polymer compound having proton conductivity is poor in bonding with a catalyst layer using a conventional fluorine-based polymer compound having a sulfonic acid group as a binder, There was a problem that peeling occurred. This is due to the low compatibility between the fluorine-based polymer compound and the hydrocarbon-based polymer compound. When interfacial delamination occurs, the mobility of protons to the electrolyte membrane is impaired, causing a decrease in output. . In addition, durability is reduced.
この問題を解決するため、炭化水素系のプロトン伝導性を有する高分子化合物を触媒層のバインダーとして使用することが検討されている(例えば、特許文献2、3参照。)。しかしながら、この場合、電解質膜と触媒層との接合性は向上するものの、炭化水素系のプロトン伝導性を有する高分子化合物はフッ素系高分子化合物に比べてプロトン伝導性が低いために、出力性能が低下する。
本発明は、炭化水素系のプロトン伝導性を有する高分子化合物からなる電解質膜との接合性が良好で、かつ、プロトン伝導性にも優れる触媒層を備えた燃料電池用膜電極接合体、および、このような燃料電池用膜電極接合体を具備し、安価で、かつ、出力性能にも優れる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell having a catalyst layer that has good adhesion to an electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer compound having proton conductivity and also has excellent proton conductivity, and An object of the present invention is to provide a fuel cell comprising such a fuel cell membrane electrode assembly, inexpensive and excellent in output performance.
本発明の一態様に係る燃料電池用膜電極接合体は、触媒層を備えた燃料極と、触媒層を備えた酸化剤極と、前記燃料極の触媒層と前記酸化剤極の触媒層とに挟持された炭化水素系電解質膜とを具備する燃料電池用膜電極接合体であって、前記燃料極および酸化剤極の少なくとも一方の触媒層は、フッ素系プロトン伝導体と炭化水素系プロトン伝導体とを含み、かつ、前記炭化水素系プロトン伝導体が、前記電解質膜側に偏在していることを特徴している。 A membrane electrode assembly for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a fuel electrode provided with a catalyst layer, an oxidant electrode provided with a catalyst layer, a catalyst layer of the fuel electrode, and a catalyst layer of the oxidant electrode. A membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a hydrocarbon electrolyte membrane sandwiched between at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode, wherein the catalyst layer of at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode comprises a fluorine proton conductor and a hydrocarbon proton conductor. And the hydrocarbon proton conductor is unevenly distributed on the electrolyte membrane side.
また、本発明の一態様に係る燃料電池は、上記燃料電池用膜電極接合体を具備することを特徴としている。 A fuel cell according to an aspect of the present invention includes the above-described membrane electrode assembly for a fuel cell.
本発明の一態様に係る燃料電池用膜電極接合体は、炭化水素系のプロトン伝導性を有する高分子化合物からなる電解質膜との接合性が良好で、かつ、プロトン伝導性にも優れる触媒層を備えることができ、これを用いて、低コストで、かつ、優れた出力性能を有する燃料電池を得ることが可能になる。また、本発明の一態様に係る燃料電池は、そのような燃料電池用膜電極接合体を具備するため、低コストで、かつ、優れた出力性能を有するものとなる。 The membrane electrode assembly for a fuel cell according to one aspect of the present invention has a catalyst layer that has good bondability with an electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer compound having proton conductivity and is also excellent in proton conductivity. By using this, it becomes possible to obtain a fuel cell having excellent output performance at low cost. In addition, since the fuel cell according to one embodiment of the present invention includes such a membrane electrode assembly for a fuel cell, the fuel cell has low cost and excellent output performance.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Although the description will be made based on the drawings, the drawings are provided for illustration only, and the present invention is not limited to the drawings.
図1は本発明の一実施形態による燃料電池の要部構成を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とから構成される膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)18を有している。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present embodiment includes an anode (fuel electrode) 13 having an
上記電解質膜17は、炭化水素系電解質膜、つまり、炭化水素系プロトン伝導体からなる電解質膜である。炭化水素系プロトン伝導体としては、主鎖が炭化水素からなる高分子にプロトン伝導性を付与するためにスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入したものが挙げられる。ここで、「高分子にイオン交換基を導入した」とは、「高分子骨格にイオン交換基を化学結合を介して導入した」ことを意味する。また、主鎖は酸素原子等のヘテロ原子で中断されていてもよい。これらのなかでも、主鎖に芳香環を有し、かつ、イオン交換基として、スルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入されたものが好ましい。炭化水素系プロトン伝導体の好ましい具体例としては、例えばポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレン・エーテル)、ポリフォスファゼン、ポリイミド、ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の単独重合体のそれぞれにスルホン酸基が導入されたもの、アリールスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルホスホン化ポリベンズイミダゾール、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)等が挙げられる。
The
アノード触媒層11およびカソード触媒層14は、それぞれ、触媒と、触媒同士の電子伝導パスとして機能する導電物質と、触媒と電解質膜17との間のプロトン伝導性パスとして機能するプロトン伝導体とから構成されている。
The
アノード触媒層11およびカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、これらの白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等の合金を用いることが好ましい。カソード触媒層14にはPtやPt−Ni等の合金を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、導電物質としては、例えば、導電性カーボンブラック、活性炭、黒鉛等の粒子状または繊維状の炭素材料が挙げられる。前記した触媒はこのような炭素材料に担持させて含有させるようにしてもよい。
Examples of the catalyst contained in the
さらに、プロトン伝導体としては、(a)炭化水素系プロトン伝導体、(b)フッ素系プロトン伝導体等が挙げられる。(a)の炭化水素系プロトン伝導体およびその好ましい例としては、電解質膜17の材料として例示したものと同様のものが挙げられる。また、(b)のフッ素系プロトン伝導体としては、主鎖が、フッ素で置換された炭化水素からなる高分子にプロトン伝導性を付与するためにスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を導入したものが挙げられる。ここでも、「高分子にイオン交換基を導入した」とは、「高分子骨格にイオン交換基を化学結合を介して導入した」ことを意味する。(b)フッ素系プロトン伝導体の具体例としては、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸、ホスホン酸基を有するパーフルオロアルキルポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンホスホン酸等が挙げられ、なかでも、パーフルオロカーボンスルホン酸が好ましい。パーフルオロカーボンスルホン酸の市販品を例示すると、例えばナフィオン(デュポン社製 商品名)、フレミオン(旭硝子社製 商品名)等が挙げられる。
Furthermore, examples of the proton conductor include (a) a hydrocarbon proton conductor and (b) a fluorine proton conductor. Examples of the hydrocarbon proton conductor (a) and preferred examples thereof include the same materials as those exemplified as the material of the
本発明においては、アノード触媒層11およびカソード触媒層14の少なくとも一方、好ましくは双方に、プロトン伝導体として(a)炭化水素系プロトン伝導体および(b)フッ素系プロトン伝導体を含有させ、かつ、(a)の炭化水素系プロトン伝導体を電解質膜17側に偏在させる。(b)フッ素系プロトン伝導体は、(a)炭化水素系プロトン伝導体に比べ、プロトン伝導性に優れており、一方、(a)炭化水素系プロトン伝導体は、(b)フッ素系プロトン伝導体に比べ、電解質膜17に対し接合性に優れる。したがって、プロトン伝導体として(a)炭化水素系プロトン伝導体および(b)フッ素系プロトン伝導体を含有させ、かつ、(a)炭化水素系プロトン伝導体が電解質膜17側に偏在させた触媒層は、良好なプロトン伝導性を有しつつ、電解質膜17との接合性にも優れたものとなる。なお、ここで、「炭化水素系プロトン伝導体を電解質膜17側に偏在させる」とは、(a)炭化水素系プロトン伝導体の含有量が、厚さ方向の断面において、アノード触媒層11の場合にアノードガス拡散層12側より、また、カソード触媒層14の場合にカソード触媒層15側より、それぞれ電解質膜17側が多くなるようにすることを意味する。
In the present invention, at least one, preferably both, of the
なお、プロトン伝導体は、通常、触媒層中に30〜70体積%程度配合されるが。プロトン伝導体として(a)炭化水素系プロトン伝導体および(b)フッ素系プロトン伝導体を含有させ、かつ、(a)炭化水素系プロトン伝導体が電解質膜17側に偏在させる触媒層においては、全プロトン伝導体中の(a)炭化水素系プロトン伝導体の割合が、5〜60体積%の範囲であることが好ましく、5〜40体積%の範囲であることがより好ましい。(a)炭化水素系プロトン伝導体の割合が5体積%未満では、電解質膜17との接合性が低下し、逆に60体積%を超えると、プロトン伝導性が低下し、触媒の使用効率が低下する。この触媒層には(a)炭化水素系プロトン伝導体および(b)フッ素系プロトン伝導体以外のプロトン伝導体を本発明の効果を阻害しない範囲で配合してもよい。
In addition, although a proton conductor is normally mix | blended about 30-70 volume% in a catalyst layer. In the catalyst layer containing (a) a hydrocarbon proton conductor and (b) a fluorine proton conductor as the proton conductor, and (a) the hydrocarbon proton conductor being unevenly distributed on the
また、電解質膜17と接する面における(a)炭化水素系プロトン伝導体の面積割合が、面総面積の5〜40%の範囲となるようにすることが好ましく、15〜30%の範囲とすることがより好ましい。(a)炭化水素系プロトン伝導体の面総面積に対する割合が5%未満では、電解質膜17との接合性が低下し、逆に40重量%を超えると、プロトン伝導性が低下し、触媒の使用効率が低下する。
In addition, the area ratio of the (a) hydrocarbon proton conductor on the surface in contact with the
触媒層の電解質膜17との接合性を高める観点からは、さらに、図2に一例として模式的に示すように、少なくとも電解質膜17と接する面において、(a)炭化水素系プロトン伝導体がバルク21を形成して存在するようにすることが好ましい。バルク21は、平均粒径が10μm以上であることが好ましく、10〜100μmであることがより好ましい。また、バルク21は面全体にできるだけ均一に分散されていることが好ましい。図2において、22は導電物質に担持された触媒粒子、23は(b)フッ素系プロトン伝導体を示している。
From the viewpoint of improving the bondability of the catalyst layer to the
なお、上記の、電解質膜17と接する面における(a)炭化水素系プロトン伝導体の面積、および、バルク21の大きさは、触媒層の電解質膜17と接する面の電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron−probe Microanalyzer)分析により求めることができる。
The area of the (a) hydrocarbon proton conductor on the surface in contact with the
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する機能とともに、アノード触媒層11で生成された電子を効率よく外部へ伝達する集電体としての機能を併せ有する。また、カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する機能とともに、外部から供給される電子を効率よくカソード触媒層14へ伝達する集電体としての機能を併せ有する。アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15はいずれも導電性材料で形成された多孔質基材で構成される。
The anode
多孔質基材としては、例えばカーボンファイバ等で形成されるカーボンクロスやカーボンペーパ等のように、導電性繊維をシート状に加工したものを使用することが好ましく、具体的には、例えば繊維径1μm程度以上のカーボンファイバで作られた気孔率50%以上のカーボンペーパあるいはカーボンクロスを使用することができる。多孔質基材は、焼結体であってもよく、金属あるいは金属酸化物(すず酸化物、チタン酸化物等)を焼結したものを使用することができる。ただし、アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15に含まれるプロトン伝導体は一般に強酸性材料であるため、金属材料を使用する場合には耐酸性の高い材料を選択することが好ましい。
As the porous substrate, it is preferable to use a conductive fiber that has been processed into a sheet shape, such as carbon cloth or carbon paper formed of carbon fiber or the like. Carbon paper or carbon cloth made of carbon fibers of about 1 μm or more and having a porosity of 50% or more can be used. The porous substrate may be a sintered body, and a sintered metal or metal oxide (tin oxide, titanium oxide, etc.) can be used. However, since the proton conductors contained in the anode
アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15上に、それぞれアノード触媒層11およびカソード触媒層14を形成する際には、アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15を形成する各多孔質基材に、触媒および導電物質(または予め導電物質に担持させた触媒)とプロトン伝導体とを溶媒に分散させて得た触媒ペーストを、コーターやスプレー等により1回ないし複数回に分けて塗付し乾燥させることにより形成することができる。触媒層が、プロトン伝導体として(a)炭化水素系プロトン伝導体および(b)フッ素系プロトン伝導体を含有し、かつ、(a)炭化水素系プロトン伝導体が電解質膜17側に偏在する触媒層の場合には、(a)炭化水素系プロトン伝導体の含有量の異なる複数の触媒ペーストを調製し、(a)炭化水素系プロトン伝導体が電解質膜17側に偏在するように塗付形成すればよい。また、この場合、前述した(a)炭化水素系プロトン伝導体がバルク21を形成して存在するようにするには、触媒ペーストを調製する際の各成分の混合時間等を調製すればよい。触媒ペーストの1回の塗付量が多すぎると、溶媒が揮発するときの体積変化で触媒層にひび割れが発生するおそれがあるため、プロトン伝導体含有量を偏在させない場合であっても、複数回に分けて少量ずつ塗付し乾燥させて形成していくことが好ましい。
When forming the
このようにアノードガス拡散層12上にアノード触媒層11が形成されたアノード(燃料極)13と、カソードガス拡散層15上にカソード触媒層14が形成されたカソード(空気極/酸化剤極)16と、電解質膜17とを、電解質膜17の両面にアノード触媒層11とカソード触媒層15が接するように重ね合わせ、加熱プレスすることにより、膜電極接合体18が形成される。なお、アノードガス拡散層12のアノード触媒層11と反対側の面、およびカソードガス拡散層15のカソード触媒層14と反対側の面には、それぞれ必要に応じて導電層を形成してもよい。これらの導電層としては、例えばAu等の導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。
Thus, the anode (fuel electrode) 13 having the
このように構成される膜電極接合体18を備えた燃料電池においては、燃料がアノード(燃料極)13に供給される一方、カソード(空気極/酸化剤極)16に空気、酸素等の酸化性ガスが導入される。燃料はアノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …(1)
In the fuel cell including the membrane electrode assembly 18 configured as described above, the fuel is supplied to the anode (fuel electrode) 13 while the cathode (air electrode / oxidant electrode) 16 is oxidized with air, oxygen, or the like. Sex gas is introduced. The fuel diffuses through the anode
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
この反応で生成した電子(e−)は外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード(空気極)16に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16に到達した電子(e−)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で酸素と下記(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
6e−+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside, and are operated as so-called electricity, and are then guided to the cathode (air electrode) 16 after operating a portable electronic device or the like. Further, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
上述した燃料電池の発電反応において、発電する電力を増大させるためには、触媒反応で発生したプロトンをアノード触媒層11から電解質膜17を経てカソード触媒層14へ効率よく移動させることが重要となる。これらのアノード触媒層11、電解質膜17およびカソード触媒層14のプロトン伝導性が低かったり、アノード触媒層11と電解質膜17間、電解質膜17とカソード触媒層14間の密着性、接合性が不良であると、プロトンの移動性が低下し、出力が低下する。また、アノード触媒層11と電解質膜17間および電解質膜17とカソード触媒層14間で界面剥離が生じ、耐久性が低下する。
In the power generation reaction of the fuel cell described above, in order to increase the power to be generated, it is important to efficiently move protons generated by the catalytic reaction from the
本実施形態の燃料電池においては、上述したように、アノード触媒層11およびカソード触媒層14の少なくとも一方に、プロトン伝導体として(a)炭化水素系プロトン伝導体および(b)フッ素系プロトン伝導体を含有させ、かつ、(a)の炭化水素系プロトン伝導体を、電解質膜17側に偏在させている。このように構成される触媒層は、プロトン伝導性に優れるうえ、電解質膜7との密着性、接合性も良好である。このため、出力および耐久性の低下を抑制することができる。
In the fuel cell of the present embodiment, as described above, at least one of the
本発明は、高分子電解質膜を備えた各種の固体高分子型燃料電池に広く適用することができるが、一般には、メタノール燃料等の液体燃料を用いる燃料電池に適用される。液体燃料を用いる燃料電池は、燃料の供給方式から、アクティブ型燃料電池とパッシブ型燃料電池に大きく分けられるが、そのいずれにも適用可能である。ちなみに、アクティブ型燃料電池は、液体燃料および空気等を膜電極接合体のアノード極およびカソード極にそれぞれポンプ等により強制的に供給するものであり、また、パッシブ型燃料電池は気化した液体燃料を膜電極接合体のアノード極に自然供給する一方、カソード極に外部の空気を自然供給するものである。さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブと称される型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、この燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。 The present invention can be widely applied to various solid polymer fuel cells having a polymer electrolyte membrane, but is generally applied to a fuel cell using a liquid fuel such as methanol fuel. Fuel cells using liquid fuel can be broadly divided into active fuel cells and passive fuel cells depending on the fuel supply system, and any of them can be applied. Incidentally, an active fuel cell forcibly supplies liquid fuel, air, etc. to the anode and cathode electrodes of the membrane electrode assembly, respectively, while a passive fuel cell supplies vaporized liquid fuel. While supplying naturally to the anode pole of a membrane electrode assembly, outside air is naturally supplied to a cathode pole. Furthermore, the present invention can also be applied to a fuel cell of a type called a semi-passive in which a pump or the like is partially used for fuel supply. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the fuel storage part to the membrane electrode assembly is used for the power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage part. The semi-passive type fuel cell is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Moreover, a pump is used to supply fuel, which is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. For this reason, this fuel cell is called a semi-passive system as described above. In this semi-passive type fuel cell, a fuel cutoff valve may be arranged in place of the pump as long as fuel is supplied from the fuel storage portion to the membrane electrode assembly. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.
上記液体燃料としては、メタノール水溶液、純メタノール等のメタノール燃料の他、エタノール水溶液、純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、蟻酸、ジメチルエーテル等が挙げられる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。なお、MEAへ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。 As the liquid fuel, methanol fuel such as methanol aqueous solution, pure methanol, ethanol aqueous solution, ethanol fuel such as pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution and pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution and pure glycol, formic acid, Examples include dimethyl ether. In any case, liquid fuel corresponding to the fuel cell is used. It should be noted that the liquid fuel vapor supplied to the MEA may be all supplied as a liquid fuel vapor, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel vapor is supplied in a liquid state.
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、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。なお、以下の記載において、「部」は特に断らない限りそれぞれ「重量部」を意味する。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples at all. In the following description, “part” means “part by weight” unless otherwise specified.
[触媒ペーストの調製]
パーフルオロカーボンスルホン酸(デュポン社製 商品名ナフィオン)20部を、1−プロパノール 80部に溶解させて20重量%のフッ素系溶液を得た。また、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン20部を、N,N−ジメチルホルムアルデヒド(DMF) 80部に溶解させて20重量%の炭化水素系溶液を得た。これらのフッ素系溶液および炭化水素系溶液と、Pt−Ru担持カーボン粒子(Pt−Ru含有量60重量%)、イオン交換水およびメトキシプロパノールを、攪拌混合機により、表1に示す組成および混合条件で混合し、触媒ペースト(I)〜(X)を得た。
[Preparation of catalyst paste]
20 parts of perfluorocarbon sulfonic acid (trade name Nafion manufactured by DuPont) was dissolved in 80 parts of 1-propanol to obtain a 20 wt% fluorine-based solution. Moreover, 20 parts of sulfonated polyetheretherketone was dissolved in 80 parts of N, N-dimethylformaldehyde (DMF) to obtain a 20 wt% hydrocarbon-based solution. These fluorine-based solution and hydrocarbon-based solution, Pt-Ru-supported carbon particles (Pt-Ru content 60% by weight), ion-exchanged water and methoxypropanol were mixed with a stirrer / mixer as shown in Table 1. To obtain catalyst pastes (I) to (X).
[燃料電池用膜電極接合体および燃料電池の製造]
(実施例1)
撥水処理したカーボンペーパからなる多孔質基材(厚み200μm、面積12cm2、気孔率70体積%)の片面に、触媒ペースト(I)、同触媒ペースト(I)および触媒ペースト(II)の順に塗布し乾燥させて触媒層を形成した。
[Manufacture of membrane electrode assemblies for fuel cells and fuel cells]
Example 1
The catalyst paste (I), the catalyst paste (I), and the catalyst paste (II) are arranged in this order on one side of a porous substrate (thickness 200 μm,
上記の触媒層を形成した多孔質基材をアノード極およびカソード極として、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンからなる電解質膜の両面に、各触媒層を電解質膜側に向けて重ね合わせ、150℃、4MPaで10分間、加熱プレスして膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。 The porous base material on which the catalyst layer is formed is used as an anode and a cathode, and the catalyst layers are superimposed on both sides of the electrolyte membrane made of sulfonated polyetheretherketone, and 150 ° C., 4 MPa A membrane electrode assembly was produced by heating and pressing for 10 minutes, and a passive DMFC was produced using the membrane electrode assembly.
(実施例2〜6、比較例1、2)
多孔質基材上に塗付する触媒ペーストの種類および順を表2に示すように変えた以外は実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製し、さらに、これを用いてパッシブ型のDMFCを製造した。
(Examples 2-6, Comparative Examples 1 and 2)
A membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 except that the type and order of the catalyst paste applied on the porous substrate were changed as shown in Table 2, and further this was used as a passive type. DMFC was produced.
上記各実施例および各比較例で作製された膜電極接合体の触媒層の電解質膜に接する面における炭化水素系プロトン伝導体(スルホン化ポリエーテルエーテルケトン)の面積割合(面の総面積に対する割合)および平均バルク径を下記に示す方法で測定した。また、触媒層中における炭化水素系プロトン伝導体の偏在を下記に示す方法で観察した。さらに、上記各実施例および各比較例で作製されたパッシブ型のDMFCの液体燃料タンクに純メタノールを10ml注入して、1kHz交流インピーダンスを測定した後、温度25℃、相対湿度50%の環境下、電流値を変化させて単位面積当たりの最大出力を測定した。これらの測定結果を、表2に示す。なお、触媒層における炭化水素系プロトン伝導体の偏在については、実施例1〜6および比較例2において炭化水素系プロトン伝導体が電解質膜側に偏在していることを確認した。 Area ratio of hydrocarbon proton conductor (sulfonated polyetheretherketone) on the surface of the membrane electrode assembly produced in each of the above Examples and Comparative Examples in contact with the electrolyte membrane of the catalyst layer (ratio to the total area of the surface) ) And the average bulk diameter were measured by the methods shown below. Further, the uneven distribution of the hydrocarbon proton conductor in the catalyst layer was observed by the following method. Further, 10 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel tank of the passive type DMFC prepared in each of the above examples and comparative examples, and after measuring 1 kHz AC impedance, the temperature was 25 ° C. and the relative humidity was 50%. The maximum output per unit area was measured by changing the current value. These measurement results are shown in Table 2. Regarding the uneven distribution of the hydrocarbon proton conductor in the catalyst layer, it was confirmed that the hydrocarbon proton conductor was unevenly distributed on the electrolyte membrane side in Examples 1 to 6 and Comparative Example 2.
[炭化水素系プロトン伝導体の面積割合、偏在および平均バルク径の測定]
炭化水素系プロトン伝導体の面積割合および平均バルク径は、膜電極接合体を、沸騰水中に1時間程度浸漬した後、触媒層を電解質膜から分離し、その分離面の元素マップ分析を日本電子(株)製EPMA(JXA-8900)により加速電圧15kV、照射電流20nAの条件で行って求めた。具体的には、まず、50μm×50μmの観測範囲において元素マップ分析を行い、C、F、Ptの各元素毎のマップを作製し、Fを含む領域をフッ素系プロトン伝導体とし、Cを含みPtを含まない領域を炭化水素系プロトン伝導体とし、Ptを含む領域を担持触媒とした。次に、上記50μm×50μmの範囲を、縦5個×横5個、計25個の、1辺が10μmの正方形からなるマス目に区画し、上から第1列目の左端、中央部、右端、第3列目の左端、中央部、右端、第5列目の左端、中央部、右端の計9個の各マス目における、炭化水素系プロトン伝導体の面積割合と、同バルク径の平均値を算出し、さらに、それらの9個のマス目における炭化水素系プロトン伝導体の面積割合と、同バルク径の平均値を求めた。ここでバルク径とは、バルク領域の長径aと短径bの平均値(a+b)/2をいう。
[Measurement of area ratio, uneven distribution and average bulk diameter of hydrocarbon proton conductor]
The area ratio and average bulk diameter of the hydrocarbon-based proton conductor were determined by immersing the membrane electrode assembly in boiling water for about 1 hour, separating the catalyst layer from the electrolyte membrane, and analyzing the elemental map analysis of the separation surface. This was determined by EPMA (JXA-8900) manufactured under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV and an irradiation current of 20 nA. Specifically, first, an element map analysis is performed in an observation range of 50 μm × 50 μm, a map for each element of C, F, and Pt is prepared, a region containing F is made a fluorine-based proton conductor, and C is contained. A region not containing Pt was a hydrocarbon proton conductor, and a region containing Pt was a supported catalyst. Next, the above 50 μm × 50 μm range is divided into 5 squares × 5 laterals, a total of 25 squares each consisting of a 10 μm square, and from the top to the left end of the first row, the central part, The area ratio of the hydrocarbon proton conductor and the same bulk diameter in each of the nine cells in the right end, the left end of the third row, the central portion, the right end, the left end, the central portion, and the right end of the fifth row The average value was calculated, and the area ratio of the hydrocarbon proton conductors in the nine squares and the average value of the same bulk diameter were obtained. Here, the bulk diameter means an average value (a + b) / 2 of the major axis a and the minor axis b of the bulk region.
また、炭化水素系プロトン伝導体の偏在は、触媒層をカッターで垂直に切断し、その切断面の元素マップ分析を日本電子(株)製EPMA(JXA-8900)を用い上記と同様の条件で行って調べた。具体的には、触媒層中の電解質膜に近い位置からガス拡散層に近い位置まで10μm×10μmの範囲を順に均等に観測し、上記と同様に特定した炭化水素系プロトン伝導体の面積を測定し、その値を比較した。 In addition, the hydrocarbon proton conductor is unevenly distributed by cutting the catalyst layer vertically with a cutter, and performing element map analysis of the cut surface under the same conditions as above using EPMA (JXA-8900) manufactured by JEOL Ltd. Went and examined. Specifically, the area of 10 μm × 10 μm is observed in order from the position close to the electrolyte membrane in the catalyst layer to the position close to the gas diffusion layer, and the area of the specified hydrocarbon proton conductor is measured in the same manner as described above. And compared the values.
表2から明らかなように、触媒層の電解質膜に接する面における炭化水素系プロトン伝導体の面積割合が5〜40%の範囲にあり、かつ、炭化水素系プロトン伝導体の平均バルク径が10μm以上である例では、特に良好な結果が得られており、これは、触媒層と電解質膜との接合性が向上したことによるものと推測される。 As is apparent from Table 2, the area ratio of the hydrocarbon proton conductor on the surface of the catalyst layer in contact with the electrolyte membrane is in the range of 5 to 40%, and the average bulk diameter of the hydrocarbon proton conductor is 10 μm. In the example described above, particularly good results have been obtained, and this is presumed to be due to improved bondability between the catalyst layer and the electrolyte membrane.
なお、本発明は実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 In the implementation stage, the present invention can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層、13…アノード(燃料極)、14…カソード触媒層、15…カソードガス拡散層、16…カソード(空気極)、17…電解質膜、18…膜電極接合体、21…炭化水素系プロトン伝導体からなるバルク、22…担持触媒粒子、23…フッ素系プロトン伝導体。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記燃料極および酸化剤極の少なくとも一方の触媒層は、フッ素系プロトン伝導体と炭化水素系プロトン伝導体とを含み、かつ、前記炭化水素系プロトン伝導体が、前記電解質膜側に偏在していることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。 A fuel cell comprising a fuel electrode having a catalyst layer, an oxidant electrode having a catalyst layer, and a hydrocarbon-based electrolyte membrane sandwiched between the catalyst layer of the fuel electrode and the catalyst layer of the oxidant electrode A membrane electrode assembly,
At least one of the catalyst layers of the fuel electrode and the oxidant electrode includes a fluorine-based proton conductor and a hydrocarbon-based proton conductor, and the hydrocarbon-based proton conductor is unevenly distributed on the electrolyte membrane side. A membrane electrode assembly for a fuel cell.
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