JP2009026479A - Fuel cell and electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池および燃料電池用電解質膜−電極接合体に関する。 The present invention relates to a fuel cell and an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、電解質層として、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を備える燃料電池である。このような燃料電池における電池性能は、上記電解質膜の性能としてのプロトン伝導性や、電極で進行する電気化学反応の速度、あるいは、電解質膜における含水量等の影響を受ける。電池性能を向上させるために従来行なわれてきた試みの一つとして、電極形状の改良が挙げられる(例えば、特許文献1参照)。ここでは、電極形状を改良することにより、触媒活性の向上や、触媒に給排される物質の移動性の向上を図り、電池性能を向上させている。 A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte layer. The battery performance in such a fuel cell is affected by the proton conductivity as the performance of the electrolyte membrane, the rate of the electrochemical reaction that proceeds at the electrode, the water content in the electrolyte membrane, and the like. One of the attempts that have been made in the past to improve battery performance is to improve the electrode shape (see, for example, Patent Document 1). Here, by improving the electrode shape, the catalytic performance is improved and the mobility of the substance supplied to and discharged from the catalyst is improved, thereby improving the battery performance.
しかしながら、電極形状の改良は、電極形状の複雑化、すなわち、製造工程の複雑化を伴う。また、電極形状を改良しても、電解質膜から触媒へのプロトン移動の効率は変わらないため、触媒に給排される物質の移動性という観点からも、効果が充分に得られない場合があった。さらに、燃料電池においては、耐久性の向上など、さらに多くの要求があり、これらの要求を満たしつつ、更なる性能向上が望まれていた。 However, the improvement of the electrode shape is accompanied by a complicated electrode shape, that is, a complicated manufacturing process. In addition, even if the electrode shape is improved, the efficiency of proton transfer from the electrolyte membrane to the catalyst does not change, so the effect may not be sufficiently obtained from the viewpoint of the mobility of the substance supplied to and discharged from the catalyst. It was. Furthermore, in the fuel cell, there are more demands such as improvement in durability, and further improvement in performance has been desired while satisfying these demands.
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池における電池性能の向上を目的とする。 The present invention has been made to solve at least one of the above-described conventional problems, and aims to improve cell performance in a polymer electrolyte fuel cell.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜のそれぞれの面に形成された触媒を含有する電極であるアノードおよびカソードと、を備え、
前記電解質膜は、該電解質膜内を伝導するイオンを生じる電極活物質が供給される一方の側に形成される第1の電解質層と、他方の側に形成されると共に、前記第1の電解質層を形成する電解質よりもイオン伝導性が高い高イオン伝導性電解質によって形成される第2の電解質層と、から成ることを要旨とする。
In order to achieve the above object, the fuel cell of the present invention comprises:
An electrolyte membrane, and an anode and a cathode that are electrodes containing a catalyst formed on each surface of the electrolyte membrane,
The electrolyte membrane is formed on one side to which an electrode active material that generates ions conducting in the electrolyte membrane is supplied, and on the other side, and the first electrolyte layer And a second electrolyte layer formed by a high ion conductive electrolyte having higher ion conductivity than the electrolyte forming the layer.
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、電解質膜において、電解質膜内を伝導するイオンを生じる電極活物質が供給される側と反対側に、高イオン伝導性電解質によって形成される第2の電解質層を設けることにより、第1の電解質層におけるイオン伝導性が向上して、電解質膜全体のイオン伝導性が高まり、燃料電池の性能を向上させることができる。さらに、第2の電解質層を設けることにより、電解質膜全体の膜厚が厚くなるため、電解質膜の強度を向上させ、燃料電池の耐久性を高めることができる。 According to the fuel cell of the present invention configured as described above, the electrolyte membrane is formed on the side opposite to the side where the electrode active material that generates ions conducting in the electrolyte membrane is supplied by the high ion conductive electrolyte. By providing the second electrolyte layer, the ion conductivity in the first electrolyte layer is improved, the ion conductivity of the entire electrolyte membrane is increased, and the performance of the fuel cell can be improved. Furthermore, by providing the second electrolyte layer, the thickness of the entire electrolyte membrane is increased, so that the strength of the electrolyte membrane can be improved and the durability of the fuel cell can be increased.
本発明の燃料電池において、前記電解質膜は、固体高分子電解質によって形成され、前記電解質膜内を伝導するイオンはプロトンであり、アノード側に前記第1の電解質層が形成されると共に、カソード側に前記第2の電解質層が形成されることとしても良い。固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性が高いほど含水量が増大し、燃料電池においてフラッディングを引き起こす可能性があるが、本発明では、高プロトン伝導電解質から成る層を、第2の電解質層としてカソード側のみに設ければ良いため、フラッディングを抑えつつ、電池性能を向上させることができる。 In the fuel cell of the present invention, the electrolyte membrane is formed of a solid polymer electrolyte, the ions conducted in the electrolyte membrane are protons, the first electrolyte layer is formed on the anode side, and the cathode side Alternatively, the second electrolyte layer may be formed. In the solid polymer electrolyte membrane, the higher the proton conductivity, the higher the water content, which may cause flooding in the fuel cell. In the present invention, a layer made of a high proton conductive electrolyte is used as the second electrolyte layer. Since it only needs to be provided on the cathode side, battery performance can be improved while suppressing flooding.
このような本発明の燃料電池において、前記第2の電解質層は、前記第1の電解質層を構成する電解質よりも、プロトン伝導に係るイオン交換基の単位量当たりの固体高分子電解質全体の重量の値が低い電解質によって形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、イオン交換基の単位量当たりの固体高分子電解質全体の重量の値が異なる電解質から成る層を積層して電解質膜を形成するという簡便な構成により、容易に電池性能を向上させることが可能になる。 In such a fuel cell of the present invention, the second electrolyte layer has a weight of the whole solid polymer electrolyte per unit amount of ion-exchange groups related to proton conduction rather than the electrolyte constituting the first electrolyte layer. It is good also as being formed of an electrolyte having a low value. With such a configuration, battery performance is easily achieved with a simple configuration in which an electrolyte membrane is formed by stacking layers made of electrolytes having different weight values of the solid polymer electrolyte per unit amount of ion exchange groups. It becomes possible to improve.
また、本発明の燃料電池において、前記第2の電解質層は、前記第1の電解質層よりも薄く形成されていることとしても良い。第1電解質層よりも薄い第2の電解質層を設けることで、電解質膜の主要な部分である第1の電解質層におけるイオン伝導性を高め、膜厚をさらに厚くすることによる電解質膜の強度向上と、電解質膜のイオン伝導性の向上とを、両立させることが可能になる。このとき、特に、固体高分子電解質によって電解質膜を形成する場合には、第2の電解質層を薄く形成することで、フラッディングを抑える効果を高めることができる。 In the fuel cell of the present invention, the second electrolyte layer may be formed thinner than the first electrolyte layer. By providing a second electrolyte layer that is thinner than the first electrolyte layer, ion conductivity in the first electrolyte layer, which is the main part of the electrolyte membrane, is increased, and the strength of the electrolyte membrane is improved by further increasing the film thickness. It is possible to achieve both the improvement in ion conductivity of the electrolyte membrane. At this time, particularly when the electrolyte membrane is formed of a solid polymer electrolyte, the effect of suppressing flooding can be enhanced by forming the second electrolyte layer thin.
このような本発明の燃料電池において、前記第2の電解質層は、前記高イオン伝導性電解質から成る電解質層と前記第1の電解質層とから成る電解質膜が燃料電池内で示すイオン伝導性が、前記第1の電解質層のみによって形成した電解質膜が燃料電池内で示すイオン伝導性と同等のイオン伝導性となる時の、前記高イオン伝導性電解質から成る電解質層の厚さよりも、薄く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、電解質膜全体におけるイオン伝導性を向上させつつ、電解質膜を厚くすることにより電解質膜強度を向上させることができる。 In such a fuel cell of the present invention, the second electrolyte layer has an ionic conductivity exhibited by the electrolyte membrane composed of the electrolyte layer composed of the high ion conductive electrolyte and the first electrolyte layer in the fuel cell. The electrolyte membrane formed only by the first electrolyte layer is formed thinner than the thickness of the electrolyte layer made of the high ion conductive electrolyte when the ion conductivity is equivalent to the ion conductivity shown in the fuel cell. It is also good that it is. With such a configuration, the strength of the electrolyte membrane can be improved by increasing the thickness of the electrolyte membrane while improving the ionic conductivity of the entire electrolyte membrane.
本発明の燃料電池において、前記電極は、触媒金属を表面に分散担持する導電性粒子の間に、前記第1の電解質層と同様のプロトン伝導性を示す固体高分子電解質を混在させて成ることとしても良い。このような構成とすれば、高プロトン伝導電解質から成る第2の電解質層を電解質膜のカソード側に設けることにより、電解質膜からカソードへのプロトンの移動効率を高め、カソードにおける触媒へのプロトン供給効率を高めることができる。このとき、カソードに混在させる電解質として、第1の電解質層と同様のプロトン伝導性を示す固体高分子電解質を用いるため、カソードにおける触媒へのプロトン供給効率を向上させても、カソードが備える電解質における含水量の増加を抑えることができる。そのため、水によって触媒に対するガスの給排が妨げられるのを抑制することができる。 In the fuel cell of the present invention, the electrode is formed by mixing a solid polymer electrolyte exhibiting proton conductivity similar to that of the first electrolyte layer between conductive particles carrying a catalyst metal dispersedly on the surface. It is also good. With such a configuration, by providing the second electrolyte layer made of a high proton conductive electrolyte on the cathode side of the electrolyte membrane, the efficiency of proton transfer from the electrolyte membrane to the cathode is improved, and proton supply to the catalyst at the cathode is achieved. Efficiency can be increased. At this time, since the solid polymer electrolyte having the same proton conductivity as that of the first electrolyte layer is used as the electrolyte mixed in the cathode, even if the proton supply efficiency to the catalyst in the cathode is improved, the electrolyte included in the cathode An increase in water content can be suppressed. Therefore, it can suppress that the supply and discharge of the gas with respect to a catalyst are prevented with water.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用電解質膜−電極接合体などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell.
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池を構成する単セル10の概略構成を表わす断面模式図である。単セル10は、電解質膜20と、電解質膜20の各々の面上に形成された電極であるアノード21およびカソード22と、電極を形成した上記電解質膜20を両側から挟持するガス拡散層23,24と、ガス拡散層23,24のさらに外側に配設されたガスセパレータ25,26と、を備えている。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a
本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜20は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す固体高分子電解質を備えている。本実施例では、電解質膜20は、アノード21側に配置された第1電解質層31と、カソード22側に配置された第2電解質層32と、によって構成されており、これらの電解質層31,32は、プロトン伝導性が異なる電解質によって形成されている。アノード21およびカソード22は、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えている。より具体的には、アノード21およびカソード22は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜20を構成する高分子電解質と同様の電解質とを備えている。アノード21およびカソード22は、電解質膜20と共に、MEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)30を構成している。MEA30の詳しい構成、および製造工程については、後に詳述する。
The fuel cell of this example is a solid polymer fuel cell, and the
ガス拡散層23,24は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例のガス拡散層23,24は、いずれも、平坦な板状部材として形成されている。このようなガス拡散層24は、電気化学反応に供されるガスの流路となると共に、集電を行なう。
The
ガスセパレータ25,26は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。ガスセパレータ25,26は、それぞれ所定の凹凸形状を有している。この凹凸形状によって、ガスセパレータ25とガス拡散層23との間には、水素を含有する燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路27が形成される。また、上記凹凸形状によって、ガスセパレータ26とガス拡散層24との間には、酸素を含有する酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路28が形成される。
The
さらに、単セル10の外周部には、単セル内燃料ガス流路27および単セル内酸化ガス流路28におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配置されている(図示せず)。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、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路27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。同様に、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、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路28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。
Further, a sealing member such as a gasket is disposed on the outer peripheral portion of the
B.MEA30の構成および製造方法:
図2は、MEA30の構成を拡大して模式的に表わす説明図である。図2では、図1とは異なり、膜面が水平となる向きにMEAが表わされている。既述したように、電解質膜20は、構成材料としての電解質が異なる2つの電解質層、すなわち、アノード21側に形成された第1電解質層31と、カソード22側に形成された第2電解質層32と、によって構成されている。本実施例では、第1電解質層31よりも、第2電解質層32の方が、薄く形成されている。例えば、第1電解質層31は、10〜70μmの厚みに形成することができ、第2電解質層32は、0.2〜10μmの厚みに形成することができる。
B. Configuration and manufacturing method of MEA 30:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an enlarged configuration of the
このような本実施例の燃料電池が備える電解質膜20では、第1電解質層31よりも第2電解質層32の方が、プロトン伝導性が高い固体高分子によって形成されている。本実施例では、プロトン伝導性が高い固体高分子として、第1電解質層31よりもEW(Equivalent Weight)値が小さい固体高分子を用いている。ここで、EW値とは、固体高分子電解質におけるイオン交換基(スルホン酸基)の等量重量、すなわち、イオン交換基の単位量(1mol)当たりの固体高分子電解質全体の乾燥重量の値をいう。固体高分子電解質は、所定の主鎖に、スルホン酸基を持つ繰り返し単位(側鎖)が結合された構造を有しており、このスルホン酸基によってプロトン伝導性が実現される。そのため、同種の主鎖を有する電解質であれば、EW値が小さいほど、固体高分子電解質全体に対するスルホン酸基の割合が高くなり、プロトン伝導性が高いといえる。本実施例では、第1電解質層31および第2電解質層32のどちらの層も、フッ素系樹脂の主鎖と、端部にスルホン酸基を有する側鎖と、を備える電解質によって構成されている。そして、EW値がより小さい固体高分子電解質によって第2電解質層32を形成することにより、第2電解質層32のプロトン伝導性を、第1電解質層31よりも高くしている。
In the
アノード21およびカソード22は、図2に示すように、表面に触媒としての白金(あるいは白金合金)を分散担持したカーボン粒子34を備えており、このようなカーボン粒子34の間に、電解質膜20を構成する電解質と同様の電解質36を混在させることによって形成されている。本実施例では、アノード21およびカソード22が備える電解質36は、第1電解質層31と同様のEW値を示すフッ素系固体高分子電解質によって形成されている。
As shown in FIG. 2, the
図3は、MEA30の製造方法を表わす工程図である。また、図4は、図3に示した工程の一部の様子を模式的に示す説明図である。MEA30を製造する際には、まず、第1電解質層31となる電解質膜を用意する(ステップS100)。本実施例では、パーフルオロスルホン酸系の電解質から成る電解質膜を用いている。
FIG. 3 is a process diagram showing a method for manufacturing the
次に、ステップS100で用意した第1電解質層31よりもEW値の低い電解質(以下、低EW電解質と呼ぶ)を用意し、この低EW電解質を用いて、上記第1電解質層31上に、第2電解質層32を形成し(ステップS110)、電解質膜20を作製する。本実施例では、低EW電解質は、電解質をアルコール水溶液中に分散させた分散液として用意している。そして、この分散液を、例えばスプレー塗布により第1電解質層31上に塗布し、その後に乾燥固化させることにより、第2電解質層32を形成している。このように、溶媒中に分散された電解質を第1電解質層31上に塗布することにより、溶媒によって第1電解質層31の表面が若干溶解されて、第1電解質層31と第2電解質層32とを充分に一体化させることが可能になる。このとき、低EW電解質の分散液の濃度および塗布量を調節することにより、第2電解質層32の膜厚を制御することができる。第1電解質層31上に低EW電解質の分散液を塗布する様子を図4(A)に示し、第1電解質層31上に第2電解質層32が形成された様子を図4(B)に示す。
Next, an electrolyte having a lower EW value than the
また、電解質膜20の作製とは別に、電極であるアノード21およびカソード22を形成するための触媒ペーストを用意する(ステップS120)。触媒ペーストは、既述した白金を担持したカーボン粒子34と電解質を含有するペーストである。白金を担持したカーボン粒子34は、例えばカーボンブラックから成るカーボン粒子を、白金化合物の溶液(例えば、テトラアンミン白金塩溶液やジニトロジアンミン白金溶液や白金硝酸塩溶液、あるいは塩化白金酸溶液など)中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法によって作製する。このようにして作製した白金担持カーボン粒子34を、適当な水および有機溶剤中に分散させると共に、既述した電解質を含有する電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社、Nafion Solution)をさらに混合することで、触媒ペーストが得られる。
In addition to the preparation of the
触媒ペーストを用意すると、この触媒ペーストを、ステップS110で作製した電解質膜20上に塗布して電極を形成し、MEA30を完成する(ステップS130)。電解質膜20上に、カソード22を形成した様子を、図4(C)に示す。触媒ペーストの電解質膜20上への塗布は、例えば、スプレー法により行なうことができる。また、触媒ペーストを用いた電解質膜20上へのスクリーン印刷により行なうこととしてもよい。あるいは、ドクターブレード法や、インクジェット法により行なうこともできる。これらの方法を用いることで、触媒ペーストを所望の厚みに塗布することができる。このように、電極の原料をペースト状で用意して電解質膜20上に塗布することにより、ペースト中の溶媒によって電解質膜20の表面が若干溶解されて、電解質膜20と電極とを充分に一体化させることが可能になる。上記のように触媒ペーストを塗布した後に、塗布した触媒ペーストを乾燥させることで、内部に微細な細孔を有する多孔質な電極を形成することができる。ここで、アノード21とカソード22とは、異なる構成としても良い。例えば、白金担持量の異なる触媒ペーストを用いるなど、異なる触媒ペーストを用いて構成しても良く、あるいは異なる厚みに形成しても良く、また、異なる方法により形成しても良い。
When a catalyst paste is prepared, this catalyst paste is applied onto the
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、電解質膜20は、アノード側の表面を含む層である第1電解質層31と、カソード側の表面を含む層である第2電解質層32とから成り、第2電解質層32の方がイオン伝導性が高い電解質、すなわち、本実施例では、EW値の小さい電解質によって形成している。そのため、第1電解質層31におけるプロトン伝導性が向上して電解質膜20全体のプロトン伝導性が高まり、電池性能を向上させることができる。第2電解質層32を設けることにより第1電解質層31におけるプロトン伝導性が向上する機構は、以下のように考えられる。すなわち、電解質膜20において、カソード22側に低EW電解質からなる第2電解質層32(プロトン伝導性がより高く、プロトンを保持する能力の高い層)を設けると、第1電解質層31から第2電解質層32へと速やかにプロトンが移動する。そのため、第1電解質層31内のカソード側の表面近傍では、第2電解質層32を設けない場合に比べて、プロトン濃度がより低くなると考えられる。電気化学反応に伴って電解質膜20内をアノード側からカソード側へとプロトンが移動する際には、プロトンの移動効率、すなわちプロトンの移動速度は、電解質膜20内におけるプロトンの濃度勾配の大きさに依存する。したがって、本実施例のように第2電解質層32を設ける場合には、第1電解質層31内におけるカソード側の表面近傍のプロトン濃度が低下して、第1電解質層31内でのアノード側とカソード側との間の濃度勾配がより大きくなることにより、第1電解質層31におけるプロトン伝導性が向上すると考えられる。
According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, the
本実施例の燃料電池では、上記のように、電解質膜20のカソード側に、低EW電解質層を設けることにより、電解質膜20全体のプロトン伝導性を向上させている。そのため、電解質膜20を作製する際に、EW値の異なる電解質層を積層して形成するという簡便な製造工程により、電池性能の向上を容易に図ることが可能となる。
In the fuel cell of this example, as described above, the proton conductivity of the
また、本実施例の燃料電池によれば、第2電解質層32を設けることで、電解質膜全体のプロトン伝導性を向上させつつ、電解質膜全体の強度を向上させることができる。電解質のプロトン伝導性を向上させるためには、電解質膜全体を、EW値がより低い電解質によって形成するという構成も考えられるが、電解質膜を構成するEW値が小さいほど、電解質膜の強度が低下することが知られている。本実施例の燃料電池では、第1電解質層31上に第2電解質層32を形成することにより、例えば第1電解質層31のみによって電解質膜を形成する場合に比べて、電解質膜全体のプロトン伝導性を高めることができると共に、電解質膜全体を厚くすることにより電解質膜の強度を高めることができる。
Further, according to the fuel cell of the present embodiment, by providing the
なお、電解質膜を、EW値がより低い電解質によって構成する場合には、電解質膜の含水量が増加して、燃料電池においてフラッディングの問題が生じる可能性がある。固体高分子電解質膜においては、電解質膜が備えるスルホン酸基によってプロトンが伝えられるが、このようにしてプロトンが電解質膜内を移動する際には、プロトンは水分子と水和した状態で移動する。そのため、スルホン酸基を多く持ち、プロトンを伝え易く保持し易い低EW電解質から成る電解質膜は、含水量がより多くなり、電解質膜が有する過剰な液水によって、フラッディング、具体的には、電極が備える触媒へのガスの給排が妨げられるという問題が生じる可能性がある。本実施例によれば、EW値が低い電解質は、電解質膜の一部、具体的には、第1電解質層31よりも薄くカソード側に設けられた第2電解質層32のみが備えるため、フラッディングの問題を抑えつつ、電解質膜におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
When the electrolyte membrane is composed of an electrolyte having a lower EW value, the water content of the electrolyte membrane increases, which may cause a flooding problem in the fuel cell. In a solid polymer electrolyte membrane, protons are transmitted by the sulfonic acid groups provided in the electrolyte membrane. When protons move in the electrolyte membrane in this way, the protons move in a hydrated state with water molecules. . Therefore, an electrolyte membrane made of a low EW electrolyte having a large number of sulfonic acid groups and capable of easily transmitting and retaining protons has a higher water content and flooding due to excess liquid water contained in the electrolyte membrane, specifically, an electrode There is a possibility that the supply / exhaust of gas to / from the catalyst included in the catalyst is hindered. According to the present embodiment, the electrolyte having a low EW value includes only a part of the electrolyte membrane, specifically, the
さらに、本実施例の燃料電池によれば、電解質膜20のカソード側に、プロトンを保持する能力の高い第2電解質層32を設けることにより、電解質膜20からカソード22へのプロトンの移動効率を向上させることができると考えられる。すなわち、電解質膜20内のカソード側表面近傍におけるプロトン濃度が高まることで、電解質膜20とカソード22との間のプロトン濃度勾配が高まり、電解質膜20からカソード22へとプロトンが移動し易くなる。そのため、カソード22において、カーボン粒子34上の触媒で電気化学反応が進行してプロトンが消費されたときには、カソード22が備える電解質を経由して電解質膜20からカソード22へと速やかにプロトンが移動して、触媒へのプロトン供給が効率よく続行されることになる。このように、カソード内における触媒へのプロトン供給効率を向上させることにより、電池性能を向上させることができる。
Furthermore, according to the fuel cell of the present embodiment, the efficiency of proton transfer from the
なお、カソードにおけるプロトンの移動効率を向上させるために、カソードを構成する電解質として、EW値がより低い電解質を用いる構成も考えられる。しかしながら、カソードを低EW電解質によって構成すると、カソードにおける含水量が増加するため、フラッディング、具体的には、カソード内に形成された細孔が液水によって塞がれ、触媒に対するガスの給排が妨げられるという問題が生じる可能性がある。本実施例によれば、カソードを構成する電解質のEW値を小さくする必要がないため、フラッディングを抑えつつ、カソードにおけるプロトン移動効率を向上させることができる。 In addition, in order to improve the proton transfer efficiency in the cathode, a configuration using an electrolyte having a lower EW value as an electrolyte constituting the cathode is also conceivable. However, when the cathode is composed of a low EW electrolyte, the water content in the cathode increases, so flooding, specifically, the pores formed in the cathode are blocked by liquid water, and gas supply to and discharge from the catalyst is prevented. The problem of being disturbed can arise. According to this embodiment, since it is not necessary to reduce the EW value of the electrolyte constituting the cathode, it is possible to improve the proton transfer efficiency at the cathode while suppressing flooding.
C.実施例の燃料電池の評価結果:
図5は、本実施例の燃料電池として、第1電解質層31の厚さを一定としつつ、第2電解質層32の厚さを種々異ならせた燃料電池を作製し、燃料電池の発電性能を比較した結果を示す説明図である。ここでは、第1電解質層31のみから成る電解質膜を有する従来型の燃料電池を、比較例として用いている。
C. Evaluation results of fuel cells of Examples:
FIG. 5 shows a fuel cell according to the present embodiment, in which fuel cells with different thicknesses of the
発電性能を調べるために用いた各燃料電池が備える電解質膜における第1電解質層31は、いずれも、EW値が1000であるパーフルオロスルホン酸ポリマを用いて、厚さが30μmとなるように形成した。そして、第2電解質層32は、EW値が700であるパーフルオロスルホン酸ポリマを用いて、厚さを、0.1〜10μmの範囲で異ならせている。電極は、カーボンブラック上に白金を担持させた白金担持カーボン粒子34として、白金担持率が50wt%のものを用いて作製した。なお、白金担持率とは、カーボン粒子重量に対する担持された白金の重量の割合をいう。このような白金担持カーボン粒子34を含む触媒ペーストを用いて、第2電解質層32表面であるカソード側、あるいは第1電解質層31表面であるアノード側にスプレー法により塗布し、厚さが10μmのカソード22と、厚さが10μmのアノード21とを形成した。
The
上記のように作製した各MEAを用いて、燃料電池を、図1に示すような単セルの状態で作製し、負荷に接続して発電を行なわせた。発電の際に各燃料電池に供給するガスの条件は、アノードに供給する水素ガスとカソードに供給する空気の双方において、流量を1000ml/minとして、バブラを用いて加湿を行なうこととした。また、発電時の燃料電池の動作温度は80℃とした。図5では、横軸は、低EW電解質から成る第2電解質層32の厚みを示しており、縦軸は、各燃料電池において出力電流を1.0A/cm2としたときの出力電圧の測定値を示している。
Using each MEA produced as described above, a fuel cell was produced in a single cell state as shown in FIG. 1 and connected to a load to generate power. The condition of the gas supplied to each fuel cell during power generation was that humidification was performed using a bubbler at a flow rate of 1000 ml / min in both hydrogen gas supplied to the anode and air supplied to the cathode. The operating temperature of the fuel cell during power generation was 80 ° C. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the thickness of the
図5に示すように、第1電解質層31上に、第1電解質層31よりもEW値の小さい電解質から成る第2電解質層32を形成すると、第2電解質層32の厚さが所定の値の時に、出力電圧値は最も高くなり、電池性能は最も高くなる。このような出力電圧がピークとなるときの第2電解質層32の厚さは、図5のように第1電解質層31の厚さを30μmとした場合には、約0.5μmであった。すなわち、第2電解質層32の厚さが、第1電解質層31の厚さの約60分の1の時に、出力電圧は、比較例に比べて約28mV高くなり、電池性能が最も高くなった。このように、第2電解質層32の厚さが所定値の時に出力電圧がピークとなるのは、膜厚が厚くなると膜抵抗が増大するためと考えられる。すなわち、第2電解質層32の厚さが厚いほど、第2電解質層32がプロトンを引きつけて電解質膜全体のプロトン伝導性を高めることができるが、第2電解質層32の厚さが上記所定値を超えると、低EW電解質から成る第2電解質層32を設けることによる効果が、膜抵抗の増大に打ち消されて、出力電圧は次第に低くなると考えられる。
As shown in FIG. 5, when the
また、図5に示すように、第1電解質層31の厚さが30μmの時には、第2電解質層32が約5μmの時(第2電解質層32の厚さが第1電解質層31の厚さの約6分の1の時)に、比較例の燃料電池(第2電解質層32を設けない燃料電池)と、出力電圧の値がほぼ同じとなった。したがって、第2電解質層32の厚さが約5μmまでであれば、第2電解質層32を設けることにより電解質膜20全体のプロトン伝導性を向上させることができると共に、膜全体を厚くすることによる膜強度向上(燃料電池の耐久性向上)の効果を得ることができるといえる。すなわち、燃料電池内で電解質膜20が示すイオン伝導性が、第1の電解質層のみによって形成した電解質膜が燃料電池内で示すイオン伝導性と同等となる時の、高イオン伝導性電解質から成る電解質層の厚さよりも薄くなるように、第2電解質層32を形成するならば、電池性能向上の効果と、膜強度向上の効果を両立させることができるといえる。
Further, as shown in FIG. 5, when the thickness of the
燃料電池が発電する際の物質移動(拡散)係数を評価した結果を以下に示す。電気化学反応が進行する際の状態を解析するための手法として、サイクリックボルタンメトリーが知られており、電子移動速度が速く物質移動(プロトン移動)が反応律速になっている場合には、サイクリックボルタモグラムにおけるピーク電流は、以下に(1)式として示すRandle-Sevcik式で表わされる。 The results of evaluating the mass transfer (diffusion) coefficient when the fuel cell generates power are shown below. Cyclic voltammetry is known as a method for analyzing the state of the electrochemical reaction, and when the electron transfer rate is high and mass transfer (proton transfer) is reaction-controlled, it is cyclic. The peak current in the voltammogram is expressed by the Randle-Sevcik equation shown as equation (1) below.
Ip=kn3/2AD1/2CV1/2 …(1)
ただし、
Ip:ピーク電流値
k:定数 2.69×105(298K)
n:移動電子数
A:電極面積(cm2)
D:拡散係数(cm2/秒)
V:電位走査速度(V/s)
C:濃度(mol/cm3)
I p = kn 3/2 AD 1/2 CV 1/2 (1)
However,
I p : peak current value k: constant 2.69 × 10 5 (298K)
n: Number of mobile electrons A: Electrode area (cm 2 )
D: Diffusion coefficient (cm 2 / sec)
V: Potential scanning speed (V / s)
C: Concentration (mol / cm 3 )
上記(1)式より、ピーク電流値Ipは電位走査速度(掃引速度)Vの平方根に比例するということができる。そして、掃引速度を異ならせて掃引速度ごとにサイクリックボルタモグラムを作成し、ボルタモグラムごとにピーク電流値Ipを求め、掃引速度Dの平方根を横軸、ピーク電流値Ipを縦軸とすると、直線部分の傾きは、拡散係数Dの大小を反映する値となる。図6は、図5と同様に、第1電解質層31の厚さを30μmとすると共に、第2電解質層32の厚みを種々異ならせた電解質膜を備える燃料電池について、拡散定数としての上記傾きを求めた結果を示す説明図である。ここでは、電解質膜におけるプロトン移動性を評価するために、第2電解質層32の厚みを種々異ならせた電解質膜を備える燃料電池を用いて、電極電位の掃引速度を異ならせて掃引速度ごとにサイクリックボルタモグラムを作成し、ピーク電流値Ipとして還元ピーク電流値を導出して、上記傾きを求めた。図6において、横軸は、低EW電解質から成る第2電解質層32の厚みを示しており、縦軸は、比較例の燃料電池についてのサイクリックボルタモグラムから求められる上記傾きを1としたときの、各々の実施例の燃料電池についてのサイクリックボルタモグラムから求められる上記傾きの値の割合を示している。
From the above equation (1), it can be said that the peak current value Ip is proportional to the square root of the potential scanning speed (sweep speed) V. Then, a cyclic voltammogram is created for each sweep speed with different sweep speeds, and a peak current value Ip is obtained for each voltammogram. Is a value that reflects the magnitude of the diffusion coefficient D. FIG. 6 shows the above inclination as a diffusion constant for a fuel cell having an electrolyte membrane in which the thickness of the
図6に示すように、第2電解質層32の厚みに対して、サイクリックボルタモグラムに基づいて求められる上記傾きをプロットしたグラフは、図5に示した第2電解質層32の厚みに対して出力電圧をプロットしたグラフの形状に良く一致した。すなわち、第2電解質層32の厚さを変化させると、出力電圧に基づく電池性能の評価結果と、拡散係数の大きさの傾向とが良く一致した。第2電解質層32の厚さが約0.5μmのときには、上記傾きは、第2電解質層32を有しない比較例の燃料電池に比べて、約10%向上した。このように、第2電解質層32を設けると、カソードが備える触媒に対するプロトン移動効率が向上することにより、電池性能が向上することが確認された。
As shown in FIG. 6, the graph in which the slope obtained based on the cyclic voltammogram is plotted with respect to the thickness of the
なお、低EW電解質から成る層を、第1電解質層31上のカソード側に代えてアノード側に形成した場合には、カソード側に形成する場合とは異なり、かえって出力電圧が低下する(電池性能が低下する)という結果が得られた(データは示さず)。これは、第1電解質層31のアノード側に、プロトンを保持する能力が高い電解質層を設けることで、アノードから第1電解質層31へのプロトン供給効率が低下するためと考えられる。
In the case where the layer made of the low EW electrolyte is formed on the anode side instead of the cathode side on the
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
実施例では、第2電解質層32は、低EW電解質を含む分散液を第1電解質層31上に塗布することによって形成しているが、異なる構成としても良い。例えば、第1電解質層31とは別体で、低EW電解質から成る電解質膜である第2電解質層32を作製し、その後、両者を例えば熱圧着によって貼り合わせて、電解質膜20を作製しても良い。このような構成としても、電解質膜全体のプロトン伝導性を高める同様の効果が得られる。
D1. Modification 1:
In the embodiment, the
D2.変形例2:
また、実施例では、カソード22は、触媒ペーストを電解質膜20の第2電解質層32側表面に塗布することによって形成しているが、異なる構成としても良い。例えば、カソード22を、予め電解質膜20とは異なる基材上に形成しておき、その後、第2電解質層32上にカソード22を転写することとしても良い。以下に、このような製造方法を変形例2として説明する。図7は、変形例2のMEAの製造工程の一部の様子を模式的に表わす説明図である。
D2. Modification 2:
In the embodiment, the
変形例2のMEAの製造方法では、まず、実施例のステップS100およびS110と同様に、第1電解質層31と第2電解質層32とから成る電解質膜20を作製する(図7(A)参照)。また、これとは別に、電解質膜20とは異なる他の基材35(例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から成る基材)上に、カソード22を形成するための実施例と同様の触媒ペーストを塗布する(図7(B)参照)。その後、電解質膜20の第2電解質層32上に、基材35上に塗布した触媒ペーストを熱圧転写し(図7(C)参照)、基材35を剥離して除去することにより(図7(D)参照)、電解質膜20上にカソード22を形成することができる。
In the MEA manufacturing method according to the second modification, first, the
D3.変形例3:
また、電解質膜20とは異なる基材35上にカソード22を形成する製造方法において、基材35上のカソード22上に、さらに第2電解質層32を形成することとしても良い。以下に、このような製造方法を変形例3として説明する。図8は、変形例3のMEAの製造工程の一部の様子を模式的に表わす説明図である。
D3. Modification 3:
Further, in the manufacturing method in which the
変形例3のMEAの製造方法では、まず、変形例2の製造方法と同様に、基材35上に、カソード22を形成するための触媒ペーストを塗布する(図8(A)参照)。その後、基材35上に形成したカソード22上に、実施例のステップS110と同様に低EW電解質分散液を塗布して(図8(B)参照)、カソード22上に第2電解質層32を形成する(図8(C)参照)。このようにして形成したカソード22および第2電解質層32を、これとは別に実施例のステップS100と同様に用意した第1電解質層31上に、第1電解質層31と第2電解質層32とが接するように配置して熱圧転写する(図8(D)参照)。そして、基材35を剥離して除去することにより、電解質膜20上にカソード22を形成することができる。
In the MEA manufacturing method of Modification 3, first, as in the manufacturing method of
D4.変形例4:
あるいは、カソード22を、ガス拡散層24上に形成しても良い。例えば、ガス拡散層24として用いる導電性多孔質体上に、実施例のステップS110と同様に低EW電解質分散液を塗布してカソード22を形成する。そして、このような多孔質体と、実施例のステップS100およびS110と同様に作製した電解質膜20とを、第2電解質層32およびカソード22が接するように重ね合わせて熱圧接合すればよい。
D4. Modification 4:
Alternatively, the
D5.変形例5:
実施例では、第1電解質層31と第2電解質層32とは、同種のフッ素系樹脂であって、EW値が異なる樹脂によって形成したが、異なる構成としても良く、第1電解質層31と第2電解質層32とは、異なる種類の電解質によって形成しても良い。例えば、一方の電解質層を、実施例と同様のフッ素系の固体高分子電解質によって形成し、他方の電解質層を、炭化水素系の固体高分子電解質によって形成しても良い。異なる種類の電解質を用いる場合であっても、プロトン伝導性が高い樹脂ほど、プロトン伝導性を有する官能基(スルホン酸基)の割合が高いため、電解質膜の強度が低下すると共に、含水量が増加する。そのため、用いる電解質の種類に拘わらず、電解質膜において、カソード側に、プロトン伝導性がより高い電解質から成る層を設けることにより、実施例と同様の効果が得られる。
D5. Modification 5:
In the embodiment, the
D6.変形例6:
また、実施例では、電解質膜20を固体高分子電解質によって形成したが、異なる構成としても良く、固体の電解質膜を備える燃料電池であれば、固体高分子型以外の種類の燃料電池に本願発明を適用することもできる。例えば、固体酸化物型燃料電池に本願発明を適用しても良い。固体酸化物型燃料電池は、プロトン伝導性、あるいは酸化物イオン伝導性を示す固体酸化物から成る電解質膜を備える燃料電池である。プロトン伝導性を示す固体酸化物を備える燃料電池においては、実施例と同様に、カソード側の電解質層として、アノード側よりもプロトン伝導性の高い固体酸化物電解質から成る層を設ければよい。また、酸化物イオン伝導性を示す固体酸化物を備える燃料電池においては、アノード側の電解質層として、カソード側よりも酸化物イオン伝導性の高い固体酸化物電解質から成る層を設ければ良い。このように、電解質膜において、電解質膜内を伝導するイオンを生じる電極活物質が供給される側とは反対側に、イオン伝導性がより高い高イオン伝導性電解質層を設けることにより、電解質膜における高イオン伝導性電解質層以外の部分のイオン伝導効率を高めることができ、電池性能を向上させることができる。ここで、固体酸化物電解質は、一般に、イオン伝導性を高めるほど結晶構造のひずみが大きくなり強度が低下する。そのため、固体酸化物型燃料電池に本発明を適用して、高イオン伝導性電解質層を設けることにより、電解質膜全体のイオン伝導性を高める効果に加えて、実施例と同様に、電解質膜全体の強度を確保する効果も得られる。
D6. Modification 6:
In the embodiment, the
10…単セル
20…電解質膜
21…アノード
22…カソード
23,24…ガス拡散層
25,26…ガスセパレータ
27…単セル内燃料ガス流路
28…単セル内酸化ガス流路
30…MEA
31…第1電解質層
32…第2電解質層
34…白金担持カーボン粒子
35…基材
36…電解質
DESCRIPTION OF
31 ...
Claims (10)
電解質膜と、
前記電解質膜のそれぞれの面に形成された触媒を含有する電極であるアノードおよびカソードと、
を備え、
前記電解質膜は、該電解質膜内を伝導するイオンを生じる電極活物質が供給される一方の側に形成される第1の電解質層と、他方の側に形成されると共に、前記第1の電解質層を形成する電解質よりもイオン伝導性が高い高イオン伝導性電解質によって形成される第2の電解質層と、から成る
燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte membrane;
An anode and a cathode, which are electrodes containing a catalyst formed on each surface of the electrolyte membrane;
With
The electrolyte membrane is formed on one side to which an electrode active material that generates ions conducting in the electrolyte membrane is supplied, and on the other side, and the first electrolyte layer A fuel cell comprising: a second electrolyte layer formed by a high ion conductive electrolyte having higher ion conductivity than the electrolyte forming the layer.
前記電解質膜は、固体高分子電解質によって形成され、
前記電解質膜内を伝導するイオンはプロトンであり、
アノード側に前記第1の電解質層が形成されると共に、カソード側に前記第2の電解質層が形成される
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The electrolyte membrane is formed of a solid polymer electrolyte,
Ions that conduct in the electrolyte membrane are protons,
A fuel cell in which the first electrolyte layer is formed on the anode side and the second electrolyte layer is formed on the cathode side.
前記第2の電解質層は、前記第1の電解質層を構成する電解質よりも、プロトン伝導に係るイオン交換基の単位量当たりの固体高分子電解質全体の重量の値が低い電解質によって形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The second electrolyte layer is formed of an electrolyte having a lower weight value of the entire solid polymer electrolyte per unit amount of ion exchange groups related to proton conduction than the electrolyte constituting the first electrolyte layer. Fuel cell.
前記第2の電解質層は、前記第1の電解質層よりも薄く形成されている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The second electrolyte layer is formed thinner than the first electrolyte layer. Fuel cell.
前記第2の電解質層は、前記高イオン伝導性電解質から成る電解質層と前記第1の電解質層とから成る電解質膜が燃料電池内で示すイオン伝導性が、前記第1の電解質層のみによって形成した電解質膜が燃料電池内で示すイオン伝導性と同等のイオン伝導性となる時の、前記高イオン伝導性電解質から成る電解質層の厚さよりも、薄く形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein
The second electrolyte layer is formed by only the first electrolyte layer having an ionic conductivity exhibited in the fuel cell by the electrolyte membrane made of the high ion conductive electrolyte and the first electrolyte layer. The fuel cell is formed thinner than the thickness of the electrolyte layer made of the high ion conductive electrolyte when the electrolyte membrane has ion conductivity equivalent to the ion conductivity shown in the fuel cell.
前記電極は、触媒金属を表面に分散担持する導電性粒子の間に、前記第1の電解質層と同様のプロトン伝導性を示す固体高分子電解質を混在させて成る
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 or 3, wherein
The electrode is a fuel cell in which a solid polymer electrolyte having proton conductivity similar to that of the first electrolyte layer is mixed between conductive particles carrying a catalyst metal dispersed on the surface thereof.
電解質膜の面上に、触媒を含む電極を形成して成り、
前記電解質膜は、一方の面側に形成される第1の電解質層と、他方の面側に形成されると共に、前記第1の電解質層を形成する電解質よりもイオン伝導性が高い高イオン伝導性電解質によって形成される第2の電解質層と、から成る
電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane-electrode assembly for constituting a fuel cell,
Formed by forming an electrode containing a catalyst on the surface of the electrolyte membrane,
The electrolyte membrane has a first electrolyte layer formed on one surface side and a high ion conductivity which is formed on the other surface side and has higher ionic conductivity than the electrolyte forming the first electrolyte layer. An electrolyte membrane-electrode assembly, comprising: a second electrolyte layer formed of a conductive electrolyte.
前記電解質膜は、固体高分子電解質によって形成され、
前記電解質膜内を伝導するイオンはプロトンである
電解質膜−電極接合体。 The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 7,
The electrolyte membrane is formed of a solid polymer electrolyte,
Ions that conduct in the electrolyte membrane are protons. Electrolyte membrane-electrode assembly.
前記第2の電解質層は、前記第1の電解質層を構成する電解質よりも、プロトン伝導に係るイオン交換基の単位量当たりの固体高分子電解質全体の重量の値が低い電解質によって形成されている
電解質膜−電極接合体。 The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 8,
The second electrolyte layer is formed of an electrolyte having a lower weight value of the entire solid polymer electrolyte per unit amount of ion exchange groups related to proton conduction than the electrolyte constituting the first electrolyte layer. Electrolyte membrane-electrode assembly.
前記第2の電解質層は、前記第1の電解質層よりも薄く形成されている
電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 7 to 9,
The second electrolyte layer is formed thinner than the first electrolyte layer. Electrolyte membrane-electrode assembly.
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