JP2009032688A - Electrode-membrane assembly for fuel cell and fuel cell using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用電極膜接合体、特に小型の液体燃料直接供給型の燃料電池用電極膜接合体およびそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode membrane assembly for a fuel cell, and more particularly to a small liquid fuel direct supply type fuel cell electrode membrane assembly and a fuel cell using the same.
近年、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さがなく、有機燃料を改質して水素を作り出す装置などが必要ないため小型化にも優れている。 In recent years, small fuel cells have attracted attention in place of lithium ion secondary batteries. In particular, direct methanol fuel cells (DMFC) using methanol as a fuel are less difficult to handle hydrogen gas than fuel cells using hydrogen gas, and devices that produce hydrogen by reforming organic fuels. Is also excellent for miniaturization.
DMFCの概略的な原理は以下の通りである。燃料極では、メタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。空気極では、空気から得られる酸素、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。そして、外部回路を通る電子によって、電力が供給される。 The general principle of DMFC is as follows. At the fuel electrode, methanol is oxidatively decomposed to generate carbon dioxide, protons and electrons. In the air electrode, water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. Electric power is supplied by electrons passing through an external circuit.
これまでに開発されてきたDMFCは、上記のような原理で発電を行うためにメタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワを補器として備え、システム全体の構造が複雑であり、小型化を図ることが難しかった。 DMFCs that have been developed so far are equipped with a pump for supplying methanol and a blower for supplying air to generate electricity based on the above-described principle, and the overall structure of the system is complicated, and the size is reduced. It was difficult.
そこで、DMFCを小型化するために以下のような技術が開発されている。たとえば、メタノールを供給するためにポンプを用いず、メタノール収容室と発電素子との間にメタノール分子を通す膜を設けてメタノールを透過させるようにし、メタノール収容室を発電素子の近傍まで近づけた小型DMFCが知られている。また、空気を取り入れるためにブロワを用いず、発電素子に空気取り入れ口を直接取り付けた小型DMFCが知られている。 In order to reduce the size of the DMFC, the following technology has been developed. For example, a small pump that does not use a pump to supply methanol, but has a membrane that allows methanol molecules to pass between the methanol storage chamber and the power generation element so that methanol can permeate, and the methanol storage chamber is brought close to the vicinity of the power generation element. DMFC is known. There is also known a small DMFC in which an air intake port is directly attached to a power generation element without using a blower for taking in air.
特許文献1には、メタノール収容室と燃料極との間に多孔体を設置し、メタノール供給量を制御する技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a technique in which a porous body is installed between a methanol storage chamber and a fuel electrode to control the amount of methanol supplied.
特許文献2には、空孔をもつカーボン基材に触媒を含浸させた触媒層が開示され、かつ電解質膜に直接触媒を形成する方法が開示されている。
しかし、上述した従来の燃料電池は、構造が簡略化された代わりに以下のような問題が生じていた。たとえば、反応によって生成した水が燃料に混入して燃料濃度が低下し、発電素子に一定濃度の燃料を供給することが困難であった。空気の自然流入に任せて空気を取り入れているため、高い出力密度を安定に得ることが困難であった。空孔をもつカーボン基体に触媒を含浸させた触媒層のみでは触媒反応が不十分であった。アノード側で供給される気化燃料が電解質膜を直接素通りしてカソードで反応する、いわゆる「クロスオーバー」が発生して高い出力密度を得ることが困難であった。 However, the conventional fuel cell described above has the following problems in place of the simplified structure. For example, the water produced by the reaction is mixed with the fuel and the fuel concentration decreases, making it difficult to supply a constant concentration of fuel to the power generation element. Since the air is taken into the natural inflow, it is difficult to stably obtain a high power density. The catalytic reaction was insufficient only with the catalyst layer in which the catalyst was impregnated with the carbon substrate having pores. The vaporized fuel supplied on the anode side passes through the electrolyte membrane directly and reacts at the cathode, so-called “crossover” occurs, and it is difficult to obtain a high power density.
本発明の目的は、触媒反応の効率を上げるとともにクロスオーバーを抑えて、高い出力密度を安定に維持できる燃料電池用電極膜接合体およびそれを用いた燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electrode membrane assembly for a fuel cell that can increase the efficiency of a catalytic reaction, suppress crossover, and stably maintain a high output density, and a fuel cell using the same.
本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極膜接合体は、アノード触媒を含有する燃料極触媒層、および前記燃料極触媒層の一方の面に設けられた燃料極ガス拡散層を有する燃料極と、カソード触媒を含有する空気極触媒層、および前記空気極触媒層の一方の面に設けられたカソード触媒を含有する空気極ガス拡散層を有する空気極と、前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜とを具備したことを特徴とする。 An electrode membrane assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention comprises a fuel electrode catalyst layer containing an anode catalyst, and a fuel electrode gas diffusion layer provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer. An air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst, an air electrode having an air electrode gas diffusion layer containing a cathode catalyst provided on one surface of the air electrode catalyst layer, and a fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode And an electrolyte membrane sandwiched between the air electrode catalyst layer of the air electrode.
本発明の他の実施形態に係る燃料電池用電極膜接合体は、アノード触媒を含有する燃料極触媒層、および前記燃料極触媒層の一方の面に設けられたアノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層を有する燃料極と、カソード触媒を含有する空気極触媒層、および前記空気極触媒層の一方の面に設けられた空気極ガス拡散層を有する空気極と、前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜とを具備したことを特徴とする。 An electrode membrane assembly for a fuel cell according to another embodiment of the present invention includes a fuel electrode catalyst layer containing an anode catalyst, and a fuel electrode gas containing an anode catalyst provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer. A fuel electrode having a diffusion layer, an air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst, an air electrode having an air electrode gas diffusion layer provided on one surface of the air electrode catalyst layer, and a fuel electrode catalyst for the fuel electrode And an electrolyte membrane sandwiched between the air electrode and the air electrode catalyst layer of the air electrode.
本発明の他の実施形態に係る燃料電池は、上記のいずれかの燃料電池用電極膜接合体を用いたことを特徴とする。 A fuel cell according to another embodiment of the present invention is characterized by using any one of the above electrode membrane assemblies for fuel cells.
本発明の燃料電池用電極膜接合体は、カソード触媒を含有する空気極触媒層およびカソード触媒を含有する空気極ガス拡散層で空気極を形成するか、またはアノード触媒を含有する燃料極触媒層およびアノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層で燃料極を形成することによって、触媒反応の効率を上げるとともにクロスオーバーを抑えて、高い出力密度を安定に維持できる。 An electrode membrane assembly for a fuel cell according to the present invention has an air electrode formed by an air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst and an air electrode gas diffusion layer containing a cathode catalyst, or a fuel electrode catalyst layer containing an anode catalyst. By forming the fuel electrode with the fuel electrode gas diffusion layer containing the anode catalyst and the anode catalyst, the efficiency of the catalytic reaction can be increased and the crossover can be suppressed to stably maintain a high output density.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池用電極膜接合体の断面図である。図1に示すように、燃料電池用電極膜接合体(MEA)1は、燃料極触媒層11および燃料極ガス拡散層12を有する燃料極(アノード)10と、空気極触媒層21および空気極ガス拡散層22を有する空気極(カソード)20と、燃料極(アノード)10の燃料極触媒層11と空気極(カソード)20の空気極触媒層21との間に挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜30とを具備している。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a direct methanol fuel cell electrode membrane assembly according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) 1 includes a fuel electrode (anode) 10 having a fuel
本発明においては、空気極ガス拡散層22内にカソード触媒を含有するカソード触媒含有領域23が形成されているか、または燃料極ガス拡散層12内にアノード触媒を含有するアノード触媒含有領域13が形成されている。
In the present invention, the cathode
燃料極触媒層11、燃料極ガス拡散層12内のアノード触媒含有領域13、空気極触媒層21、空気極ガス拡散層22内のカソード触媒含有領域23の触媒としては、たとえば白金族元素であるPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pdなどの単体金属、白金族元素を含有する合金などが挙げられる。燃料極側の触媒はメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Moなどが好ましく、空気極側の触媒は白金やPt−Niなどが好ましいが、これらに限定されない。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒でもよいし、無担持触媒でもよい。燃料極触媒層11と燃料極ガス拡散層12内のアノード触媒含有領域13の触媒は同種でも異種でもよい。空気極触媒層21と空気極ガス拡散層22内のカソード触媒含有領域23の触媒は同種でも異種でもよい。
Examples of the catalyst of the anode
電解質膜30を構成するプロトン伝導性材料としては、スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体などのフッ素系樹脂(たとえばデュポン社製のナフィオン(登録商標)、旭硝子社製のフレミオン(登録商標)など)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物などが挙げられるが、これらに限定されない。
Examples of proton conductive materials constituting the
燃料極ガス拡散層12内または空気極ガス拡散層22内にプロトン導電体を含有させてもよい。こうしたプロトン導電体としては、スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体などのフッ素系樹脂(デュポン社製のナフィオン(登録商標)、旭硝子社製のフレミオン(登録商標)など)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、およびタングステン酸やリンタングステン酸などの無機物が挙げられるが、これらに限定されない。
A proton conductor may be contained in the fuel electrode
燃料極触媒層11に積層された燃料極ガス拡散層12は、燃料極触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすとともに、燃料極触媒層11の集電体も兼ねている。一方、空気極触媒層21に積層された空気極ガス拡散層22は、空気極触媒層21に酸化剤を均一に供給する役割を果たすとともに空気極触媒層21の集電体も兼ねている。
The fuel electrode
次に、本発明に係る燃料電池用電極膜接合体1の作用を説明する。
気化した液体燃料(たとえばメタノールなど)は燃料極ガス拡散層12中を拡散して燃料極触媒層11に供給される。燃料極触媒層11に供給された燃料は次式(1)に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
Next, the operation of the fuel cell electrode membrane assembly 1 according to the present invention will be described.
The vaporized liquid fuel (for example, methanol) diffuses in the anode
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- (1)
液体燃料として純メタノールを使用した場合には水蒸気の供給がないため、メタノールは空気極触媒層21で生成した水や電解質膜30中の水などと上記の式(1)の内部改質反応を生じるか、または式(1)以外の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る。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
When pure methanol is used as the liquid fuel, there is no supply of water vapor, so the methanol undergoes an internal reforming reaction of the above formula (1) with water generated in the air
内部改質反応で生成されたプロトン(H+)は電解質膜30を伝導し、空気極触媒層21に到達する。空気極ガス拡散層22から供給される空気は、空気極ガス拡散層22中を拡散して空気極触媒層21に供給される。空気極触媒層21に供給された空気は、次式(2)に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the
(3/2)O2+6H++6e- → 3H2O (2)
ここで、空気極ガス拡散層22にカソード触媒が含有されていない場合、空気取り入れ口を通ってきた酸素が十分に空気極触媒層21まで達せず、活性化されない酸素が存在し、実質的には十分な出力が得られない。また、カソード触媒を含有させた空気極ガス拡散層22のみを設け、空気極触媒層21を設けない場合、空気極20の触媒量が十分ではなく、プロトンを十分に供給できないためやはり十分な出力が得られない。
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
Here, when the cathode catalyst is not contained in the air electrode
これに対して、空気極触媒層21を設け、さらに空気極ガス拡散層22にカソード触媒を含有させると、空気中の酸素が十分活性化され、かつプロトンとの反応も十分に行われるため、高い出力を得ることができる。
On the other hand, when the air
空気極ガス拡散層22内のカソード触媒含有領域23の平均厚さは、空気極触媒層21の平均厚さの10%以上であることが好ましい。カソード触媒含有領域23の厚さが薄いと、上記の効果が得られない。カソード触媒含有領域23は、空気極ガス拡散層22の全膜厚にわたって形成されていてもよい。
The average thickness of the cathode catalyst-containing
空気極ガス拡散層22にあらかじめプロトン導電体を含有させた上で、空気極ガス拡散層22にカソード触媒を含有させ、さらに空気極触媒層21を設けると、空気中の酸素が十分活性化され、かつプロトンとの反応も十分に行われるため、高い出力を得ることができる。
When the cathode electrode is contained in the air electrode
空気極ガス拡散層22内のプロトン導電体含有領域の平均厚さは特に限定されないが、カソード触媒含有領域23の平均厚さと同等またはそれ以上であることが好ましい。すなわち、プロトン導電体含有領域の平均厚さは、空気極触媒層21の平均厚さの10%以上であることが好ましい。プロトン導電体含有領域も、空気極ガス拡散層22の全膜厚にわたって形成されていてもよい。
The average thickness of the proton conductor-containing region in the air electrode
なお、空気極ガス拡散層22中の触媒密度が高すぎると、空気が空気極触媒層21まで十分達せず、高い出力を得ることができない。空気極ガス拡散層22中の触媒密度を下げて気孔率を維持し、十分に空気が拡散するようにすれば、空気極触媒層21で酸素とプロトンが十分に反応して高い出力が得られる。
If the catalyst density in the air electrode
また、燃料ガス拡散層12中にアノード触媒が含有されていない場合、特に高濃度メタノールを用いたときに、メタノールが活性化されずにそのまま電解質膜30を通り、空気極10側で反応をするクロスオーバー反応が多くなる。
In addition, when the anode catalyst is not contained in the fuel
これに対して、燃料極ガス拡散層12中にアノード触媒を含有させると、メタノールが活性化されて内部改質反応が進み、余分なクロスオーバー反応が減少し、結果として高い出力を得ることができる。
On the other hand, when an anode catalyst is contained in the anode
燃料極ガス拡散層12内のアノード触媒含有領域13の平均厚さは、燃料極触媒層11の平均厚さの10%以上であることが好ましい。アノード触媒含有領域13の厚さが薄いと、上記の効果が得られない。アノード触媒含有領域13は、燃料極ガス拡散層12の全膜厚にわたって形成されていてもよい。
The average thickness of the anode catalyst-containing
燃料極ガス拡散層12にあらかじめプロトン導電体を含有させた上で、燃料極ガス拡散層12にアノード触媒を含有させると、メタノールが活性化されて内部改質反応が進み、余分なクロスオーバー反応が減少し、結果として高い出力を得ることができる。
When the fuel electrode
燃料極ガス拡散層12内のプロトン導電体含有領域の平均厚さは特に限定されないが、アノード触媒含有領域13の平均厚さと同等またはそれ以上であることが好ましい。すなわち、プロトン導電体含有領域の平均厚さは、燃料極触媒層11の平均厚さの10%以上であることが好ましい。プロトン導電体含有領域も、燃料極ガス拡散層12の全膜厚にわたって形成されていてもよい。
The average thickness of the proton conductor-containing region in the anode
なお、燃料極ガス拡散層12中の触媒密度が高すぎると、改質された気化燃料が燃料極触媒層11まで十分達せず、高い出力を得ることができない。燃料極ガス拡散層12中の触媒密度を下げて気孔率を維持し、十分に気化燃料が拡散するようにすれば、燃料極触媒層11で燃料が十分に反応して高い出力が得られる。
If the catalyst density in the fuel electrode
したがって、空気極および燃料極のいずれにおいても、触媒の密度に関して、触媒層>ガス拡散層という条件を満たすことが好ましい。 Therefore, in both the air electrode and the fuel electrode, it is preferable to satisfy the condition of catalyst layer> gas diffusion layer with respect to the density of the catalyst.
なお、直接メタノール型の燃料電池では、液体燃料としてメタノール水溶液または純メタノールが用いられるが、液体燃料はこれらに限定されない。たとえば、エタノール水溶液や純エタノールなどのエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノールなどのプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコールなどのグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、またはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。 In a direct methanol fuel cell, an aqueous methanol solution or pure methanol is used as the liquid fuel, but the liquid fuel is not limited to these. For example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution or pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel may be used. In any case, liquid fuel corresponding to the fuel cell is accommodated.
また、本発明はパッシブ型の燃料電池に限らず、アクティブ型の燃料電池、燃料供給など一部にポンプを用いたセミパッシブ型の燃料電池にも適用することができ、パッシブ型の燃料電池の場合と同様の作用効果が得られる。 The present invention can be applied not only to a passive type fuel cell but also to an active type fuel cell, a semi-passive type fuel cell using a pump in part such as a fuel supply, etc. The same effect as the case can be obtained.
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。なお、各実施例の表で使用した略語の意味は以下の通りである。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples. In addition, the meaning of the abbreviation used in the table | surface of each Example is as follows.
CT:触媒層(または触媒含有領域)の厚さ、
CD:触媒の密度、
PT:プロトン導電体含有領域の厚さ、
ACL:アノード触媒層、
AGDL:アノードガス拡散層、
CCL:カソード触媒層、
CGDL:カソードガス拡散層。
CT: thickness of catalyst layer (or catalyst-containing region),
CD: density of the catalyst,
PT: the thickness of the proton conductor containing region,
ACL: anode catalyst layer,
AGDL: anode gas diffusion layer,
CCL: cathode catalyst layer,
CGDL: cathode gas diffusion layer.
(実施例1)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を燃料極ガス拡散層に用いた。
Example 1
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the fuel electrode gas diffusion layer.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極(アノード)を作製した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, a Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.
厚さ300μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−090、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。白金担持グラファイト粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、空気極ガス拡散層にカソード触媒を含浸させた。このとき、カソード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整して3種のサンプル(1a、1b、1c)を作製した。これを常温で自然乾燥してカソード触媒を含有する空気極ガス拡散層を形成した。 Carbon paper having a thickness of 300 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. The platinum-supported graphite particles and the solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having about 5% solid content. This slurry was spray-coated on one surface of the air electrode gas diffusion layer made of the carbon paper, and the cathode electrode was impregnated with the air electrode gas diffusion layer. At this time, three types of samples (1a, 1b, 1c) were prepared by adjusting the spray amount so that the thickness of the region impregnated with the cathode catalyst was different. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode gas diffusion layer containing a cathode catalyst.
白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、カソード触媒を含有する空気極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極(カソード)を作製した。 A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to the air electrode gas diffusion layer containing the cathode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は32.3〜36.7mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 32.3 to 36.7 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨し測定試料とした後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。ここで、切断方向については、例えば電極が矩形状の場合、長手方向と直交する方向の中央部において長手方向と平行に切断する。そして、その切断面の中央部および両端から長手方向の長さの10%中央寄りの位置の合計3箇所の断面を取り出す。以降の結果は、それら3箇所の平均値とする。 The MEA was taken out of the cell, cut and embedded in the resin so that the cross section was visible. The MEA embedded in the resin was polished so as to have a flat cross section and used as a measurement sample, and then observed with an electron microscope for elemental analysis. Here, with regard to the cutting direction, for example, when the electrode is rectangular, cutting is performed in parallel with the longitudinal direction at the center in the direction orthogonal to the longitudinal direction. Then, a total of three cross-sections are taken out from the central portion and both ends of the cut surface at a position closer to the center of 10% of the longitudinal length. The subsequent results are the average values of these three locations.
測定試料について、まず断面のSEI(2次電子像)、BEI(反射電子像)によるSEM写真を撮影し、視野で見られた像から燃料極、空気極の平均厚みを求めた。平均厚みは、視野で得られた像内の最大厚みと最小厚みを測定し、その平均値として求めた。 First, SEM photographs of SEI (secondary electron image) and BEI (reflection electron image) of the cross section of the measurement sample were taken, and the average thickness of the fuel electrode and the air electrode was determined from the image seen in the field of view. The average thickness was obtained as an average value by measuring the maximum thickness and the minimum thickness in the image obtained in the visual field.
次に、SEM写真の視野と同一視野でEPMA分析を行い、Ptを検出した強度を触媒密度と仮定し、触媒層部分およびガス拡散層部分の平均触媒密度をそれぞれ計算した。EPMA分析は、島津製作所製の電子線マイクロアナライザー(EPMA−1610)を用い、加速電圧15kV、照射電流30nA、ビームサイズ1μm、データポイント256×256point、ステップサイズ0.5μmの条件で行った。 Next, EPMA analysis was performed in the same field of view as the SEM photograph, and the average catalyst density of the catalyst layer portion and gas diffusion layer portion was calculated assuming that the intensity at which Pt was detected was the catalyst density. EPMA analysis was performed using an electron beam microanalyzer (EPMA-1610) manufactured by Shimadzu Corporation under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV, an irradiation current of 30 nA, a beam size of 1 μm, a data point of 256 × 256 points, and a step size of 0.5 μm.
その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)、空気極ガス拡散層中のカソード触媒含有領域の平均厚さ(CTCGDL)、CTCGDL/CTCCLの比率(%)、空気極触媒層中のカソード触媒の密度CDCCLと空気極ガス拡散層中のカソード触媒の密度CDCGDLとの差CDCCL−CDCGDL(%)を求めた。表1にこれらの結果を示す。
(実施例2)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を燃料極ガス拡散層に用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、燃料極ガス拡散層にアノード触媒を含浸させた。このとき、アノード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整して3種のサンプル(2a、2b、2c)を作製した。これを常温で自然乾燥してアノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層を形成した。
(Example 2)
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the fuel electrode gas diffusion layer. Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. This slurry was spray-coated on one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the carbon paper, and the anode gas diffusion layer was impregnated with the anode catalyst. At this time, three types of samples (2a, 2b, 2c) were prepared by adjusting the spray amount so that the thickness of the region impregnated with the anode catalyst was different. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode gas diffusion layer containing an anode catalyst.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、アノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極(アノード)を作製した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to the anode gas diffusion layer containing the anode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.
厚さ300μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−090、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。白金担持グラファイト粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、空気極ガス拡散層にカソード触媒を含浸させた。このとき、3種のサンプル(2a、2b、2c)のそれぞれについて、カソード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整した。これを常温で自然乾燥してカソード触媒を含有する空気極ガス拡散層を形成した。 Carbon paper having a thickness of 300 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. The platinum-supported graphite particles and the solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having about 5% solid content. This slurry was spray-coated on one surface of the air electrode gas diffusion layer made of the carbon paper, and the cathode electrode was impregnated with the air electrode gas diffusion layer. At this time, the spray amount was adjusted for each of the three types of samples (2a, 2b, 2c) so that the thickness of the region impregnated with the cathode catalyst was different. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode gas diffusion layer containing a cathode catalyst.
白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約12%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、カソード触媒を含有する空気極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極(カソード)を作製した。 A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 12%. This slurry was applied to the air electrode gas diffusion layer containing the cathode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は33.4〜38.8mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 33.4 to 38.8 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、燃料極ガス拡散層中のアノード触媒含有領域の平均厚さ(CTAGDL)、CTAGDL/CTACLの比率(%)、燃料極触媒層中のアノード触媒の密度CDACLと燃料極ガス拡散層中のアノード触媒の密度CDAGDLとの差CDACL−CDAGDL(%)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)、空気極ガス拡散層中のカソード触媒含有領域の平均厚さ(CTCGDL)、CTCGDL/CTCCLの比率(%)、空気極触媒層中のカソード触媒の密度CDCCLと空気極ガス拡散層中のカソード触媒の密度CDCGDLとの差CDCCL−CDCGDL(%)を測定した。表2にこれらの結果を示す。
(実施例3)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を燃料極ガス拡散層に用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、燃料極ガス拡散層にアノード触媒を含浸させた。このとき、アノード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整して3種のサンプル(3a、3b、3c)を作製した。これを常温で自然乾燥してアノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層を形成した。
(Example 3)
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the fuel electrode gas diffusion layer. Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. This slurry was spray-coated on one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the carbon paper, and the anode gas diffusion layer was impregnated with the anode catalyst. At this time, three types of samples (3a, 3b, 3c) were prepared by adjusting the spray amount so that the thickness of the region impregnated with the anode catalyst was different. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode gas diffusion layer containing an anode catalyst.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約13%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、アノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極(アノード)を作製した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, a Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 13%. This slurry was applied to the anode gas diffusion layer containing the anode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.
厚さ300μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−090、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。 Carbon paper having a thickness of 300 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer.
白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、カソード触媒を含有する空気極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極(カソード)を作製した。 A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to the air electrode gas diffusion layer containing the cathode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は33.6〜35.7mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 33.6 to 35.7 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、燃料極ガス拡散層中のアノード触媒含有領域の平均厚さ(CTAGDL)、CTAGDL/CTACLの比率(%)、燃料極触媒層中のアノード触媒の密度CDACLと燃料極ガス拡散層中のアノード触媒の密度CDAGDLとの差CDACL−CDAGDL(%)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)を測定した。表3にこれらの結果を示す。
(実施例4)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H120、アルキメデス法による気孔率:75%)を平板プレスにより厚さが1/2になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ40.5%であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。
Example 4
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極(アノード)を作製した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.
厚さ200μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−060、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。プロトン導電体として5%に希釈したナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)を用意した。この溶液を上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、空気極ガス拡散層にプロトン導電体を含浸させた。このとき、プロトン導電体が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整して2種のサンプル(4a、4b)を作製した。これを常温で自然乾燥した。白金担持グラファイト粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の空気極ガス拡散層のプロトン導電体を含浸・乾燥させた一方の面にスプレーコートして、空気極ガス拡散層にカソード触媒を含浸させた。このとき、2種のサンプル(4a、4b)のそれぞれについて、カソード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整した。これを常温で自然乾燥してカソード触媒を含有する空気極ガス拡散層を形成した。 Carbon paper having a thickness of 200 μm (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. A Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) diluted to 5% was prepared as a proton conductor. This solution was spray coated on one surface of the air electrode gas diffusion layer made of the above carbon paper, and the air electrode gas diffusion layer was impregnated with a proton conductor. At this time, two types of samples (4a, 4b) were prepared by adjusting the spray amount so that the thickness of the region impregnated with the proton conductor was different. This was naturally dried at room temperature. The platinum-supported graphite particles and the solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having about 5% solid content. This slurry was spray-coated on one surface of the air electrode gas diffusion layer impregnated and dried with the proton conductor, and the cathode gas diffusion layer was impregnated with the cathode catalyst. At this time, the spray amount was adjusted so that the thicknesses of the regions impregnated with the cathode catalyst were different for each of the two types of samples (4a, 4b). This was naturally dried at room temperature to form an air electrode gas diffusion layer containing a cathode catalyst.
白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、カソード触媒を含有する空気極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極(カソード)を作製した。 A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to the air electrode gas diffusion layer containing the cathode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は33.3〜37.4mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 33.3 to 37.4 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)、空気極ガス拡散層中のプロトン導電体含有領域の平均厚さ(PTCGDL)、空気極ガス拡散層中のカソード触媒含有領域の平均厚さ(CTCGDL)、CTCGDL/CTCCLの比率(%)、空気極触媒層中のカソード触媒の密度CDCCLと空気極ガス拡散層中のカソード触媒の密度CDCGDLとの差CDCCL−CDCGDL(%)を測定した。表4にこれらの結果を示す。
(実施例5)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を燃料極ガス拡散層に用いた。プロトン導電体として5%に希釈したナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)を用意した。この溶液を上記のカーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、燃料極ガス拡散層にプロトン導電体を含浸させた。このとき、プロトン導電体が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整して2種のサンプル(5a、5b)を作製した。これを常温で自然乾燥した。白金ルテニウム合金担持グラファイト粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の燃料極ガス拡散層のプロトン導電体を含浸・乾燥させた一方の面にスプレーコートして、燃料極ガス拡散層にアノード触媒を含浸させた。このとき、2種のサンプル(5a、5b)のそれぞれについて、アノード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整した。これを常温で自然乾燥してアノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層を形成した。
(Example 5)
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the fuel electrode gas diffusion layer. A Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) diluted to 5% was prepared as a proton conductor. This solution was spray-coated on one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the carbon paper, and the fuel electrode gas diffusion layer was impregnated with a proton conductor. At this time, two types of samples (5a, 5b) were prepared by adjusting the spray amount so that the thickness of the region impregnated with the proton conductor was different. This was naturally dried at room temperature. A platinum ruthenium alloy-supported graphite particle and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. This slurry was spray coated on one surface of the fuel electrode gas diffusion layer impregnated and dried with the proton conductor, and the anode gas diffusion layer was impregnated with the anode catalyst. At this time, for each of the two types of samples (5a, 5b), the spray amount was adjusted so that the thickness of the region impregnated with the anode catalyst was different. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode gas diffusion layer containing an anode catalyst.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極(アノード)を作製した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.
厚さ300μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−090、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。プロトン導電体として5%に希釈したナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)を用意した。この溶液を上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、空気極ガス拡散層にプロトン導電体を含浸させた。このとき、プロトン導電体が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整して2種のサンプル(5a、5b)を作製した。これを常温で自然乾燥した。白金担持グラファイト粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の空気極ガス拡散層のプロトン導電体を含浸・乾燥させた一方の面にスプレーコートして、空気極ガス拡散層にカソード触媒を含浸させた。このとき、2種のサンプル(5a、5b)のそれぞれについて、カソード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整した。これを常温で自然乾燥してカソード触媒を含有する空気極ガス拡散層を形成した。 Carbon paper having a thickness of 300 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. A Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) diluted to 5% was prepared as a proton conductor. This solution was spray coated on one surface of the air electrode gas diffusion layer made of the above carbon paper, and the air electrode gas diffusion layer was impregnated with a proton conductor. At this time, two types of samples (5a, 5b) were prepared by adjusting the spray amount so that the thickness of the region impregnated with the proton conductor was different. This was naturally dried at room temperature. The platinum-supported graphite particles and the solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having about 5% solid content. This slurry was spray-coated on one surface of the air electrode gas diffusion layer impregnated and dried with the proton conductor, and the cathode gas diffusion layer was impregnated with the cathode catalyst. At this time, the spray amount was adjusted so that the thicknesses of the regions impregnated with the cathode catalyst were different for each of the two types of samples (5a, 5b). This was naturally dried at room temperature to form an air electrode gas diffusion layer containing a cathode catalyst.
白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、カソード触媒を含有する空気極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極(カソード)を作製した。 A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to the air electrode gas diffusion layer containing the cathode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は35.4〜39.6mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 35.4 to 39.6 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、燃料極ガス拡散層中のプロトン導電体含有領域の平均厚さ(PTAGDL)、燃料極ガス拡散層中のアノード触媒含有領域の平均厚さ(CTAGDL)、CTAGDL/CTACLの比率(%)、燃料極触媒層中のアノード触媒の密度CDACLと燃料極ガス拡散層中のアノード触媒の密度CDAGDLとの差CDACL−CDAGDL(%)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)、空気極ガス拡散層中のプロトン導電体含有領域の平均厚さ(PTCGDL)、空気極ガス拡散層中のカソード触媒含有領域の平均厚さ(CTCGDL)、CTCGDL/CTCCLの比率(%)、空気極触媒層中のカソード触媒の密度CDCCLと空気極ガス拡散層中のカソード触媒の密度CDCGDLとの差CDCCL−CDCGDL(%)を測定した。表5にこれらの結果を示す。
(実施例6)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を平板プレスにより厚さが1/2になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ40.5%であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。プロトン導電体として5%に希釈したナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)を用意した。この溶液を上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、燃料極ガス拡散層にプロトン導電体を含浸させた。これを常温で自然乾燥した。白金ルテニウム合金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の燃料極ガス拡散層のプロトン導電体を含浸・乾燥させた一方の面にスプレーコートして、燃料極ガス拡散層にアノード触媒を含浸させた。このとき、プロトン導電体およびアノード触媒が含浸される領域の厚さが異なるようにスプレー量を調整して2種のサンプル(6a、6b)を作製した。これを常温で自然乾燥してアノード触媒を含有する燃料極ガス拡散層を形成した。
(Example 6)
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer. A Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) diluted to 5% was prepared as a proton conductor. This solution was spray-coated on one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper, and the fuel electrode gas diffusion layer was impregnated with a proton conductor. This was naturally dried at room temperature. A platinum ruthenium alloy-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. This slurry was spray coated on one surface of the fuel electrode gas diffusion layer impregnated and dried with the proton conductor, and the anode gas diffusion layer was impregnated with the anode catalyst. At this time, two types of samples (6a and 6b) were prepared by adjusting the spray amount so that the thicknesses of the regions impregnated with the proton conductor and the anode catalyst were different. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode gas diffusion layer containing an anode catalyst.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約13%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極(アノード)を作製した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 13%. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、カソード触媒を含有する空気極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極(カソード)を作製した。 Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to the air electrode gas diffusion layer containing the cathode catalyst using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は34.3〜36.7mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 34.3 to 36.7 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、燃料極ガス拡散層中のプロトン導電体含有領域の平均厚さ(PTAGDL)、燃料極ガス拡散層中のアノード触媒含有領域の平均厚さ(CTAGDL)、CTAGDL/CTACLの比率(%)、燃料極触媒層中のアノード触媒の密度CDACLと燃料極ガス拡散層中のアノード触媒の密度CDAGDLとの差CDACL−CDAGDL(%)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)を測定した。表6にこれらの結果を示す。
(実施例7)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030、アルキメデス法による気孔率:75%)を平板プレスにより厚さが1/2になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ40.5%であった。この圧縮カーボンペーパーを2枚用意した。
(Example 7)
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. Two sheets of this compressed carbon paper were prepared.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーに1枚の圧縮カーボンペーパーを浸漬した後、常温で自然乾燥した。このときスラリーは圧縮カーボンペーパーの全膜厚にわたって浸透した。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを上記の圧縮カーボンペーパーの一方の面にダイコーターを用いて塗布した後、常温で自然乾燥した。こうして燃料極ガス拡散層つきの燃料極触媒層を形成した。 Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. One compressed carbon paper was immersed in this slurry, and then naturally dried at room temperature. At this time, the slurry penetrated over the entire thickness of the compressed carbon paper. A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, a Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. The slurry was applied to one surface of the compressed carbon paper using a die coater and then naturally dried at room temperature. Thus, an anode catalyst layer with an anode gas diffusion layer was formed.
白金担持グラファイト粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーに別の1枚の圧縮カーボンペーパーを浸漬した後、常温で自然乾燥した。このときスラリーは圧縮カーボンペーパーの全膜厚にわたって浸透した。白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを上記の圧縮カーボンペーパーの一方の面にダイコーターを用いて塗布した後、常温で自然乾燥した。こうして空気極ガス拡散層つき空気極触媒層を形成した。 The platinum-supported graphite particles and the solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having about 5% solid content. Another sheet of compressed carbon paper was immersed in this slurry, and then naturally dried at room temperature. At this time, the slurry penetrated over the entire thickness of the compressed carbon paper. A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. The slurry was applied to one surface of the compressed carbon paper using a die coater and then naturally dried at room temperature. Thus, an air electrode catalyst layer with an air electrode gas diffusion layer was formed.
厚さ300μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−090、アルキメデス法による気孔率:75%)を平板プレスにより厚さが1/2になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ40.5%であった。この圧縮カーボンペーパーを2枚用意し、それぞれ燃料極ガス拡散層および空気極ガス拡散層に用いた。 Carbon paper having a thickness of 300 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. Two sheets of this compressed carbon paper were prepared and used for the fuel electrode gas diffusion layer and the air electrode gas diffusion layer, respectively.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極ガス拡散層つきの空気極触媒層を重ね合わせ、その上に空気極ガス拡散層を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極ガス拡散層つきの燃料極触媒層を重ね合わせ、その上に燃料極ガス拡散層を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, on one surface of the electrolyte membrane, an air electrode catalyst layer with an air electrode gas diffusion layer is overlaid so that the air electrode catalyst layer is on the electrolyte membrane side, and an air electrode gas diffusion layer is overlaid thereon, Pressing was performed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, a fuel electrode catalyst layer with a fuel electrode gas diffusion layer is overlaid on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane so that the fuel electrode catalyst layer is on the electrolyte membrane side. The diffusion layers were overlaid and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は39.8mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 39.8 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、燃料極ガス拡散層中のアノード触媒含有領域の平均厚さ(CTAGDL)、CTAGDL/CTACLの比率(%)、燃料極触媒層中のアノード触媒の密度CDACLと燃料極ガス拡散層中のアノード触媒の密度CDAGDLとの差CDACL−CDAGDL(%)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)、空気極ガス拡散層中のカソード触媒含有領域の平均厚さ(CTCGDL)、CTCGDL/CTCCLの比率(%)、空気極触媒層中のカソード触媒の密度CDCCLと空気極ガス拡散層中のカソード触媒の密度CDCGDLとの差CDCCL−CDCGDL(%)を測定した。表7にこれらの結果を示す。
(実施例8)
厚さ100μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030、アルキメデス法による気孔率:75%)を2枚用意した。プロトン導電体として5%に希釈したナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)を用意した。この溶液にそれぞれのカーボンペーパーを浸漬した後、常温で自然乾燥した。このとき溶液はカーボンペーパーの全膜厚にわたって浸透した。
(Example 8)
Two sheets of carbon paper having a thickness of 100 μm (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) were prepared. A Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) diluted to 5% was prepared as a proton conductor. Each carbon paper was immersed in this solution and then naturally dried at room temperature. At this time, the solution penetrated over the entire thickness of the carbon paper.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーに上記のプロトン導電体浸漬処理を施した1枚のカーボンペーパーを浸漬した後、常温で自然乾燥した。このときスラリーはカーボンペーパーの全膜厚にわたって浸透した。白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを上記のカーボンペーパーの一方の面にダイコーターを用いて塗布した後、常温で自然乾燥した。こうして燃料極ガス拡散層つきの燃料極触媒層を形成した。 Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. One carbon paper subjected to the above proton conductor immersion treatment was immersed in this slurry, and then naturally dried at room temperature. At this time, the slurry penetrated over the entire film thickness of the carbon paper. A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, a Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. The slurry was applied to one side of the carbon paper using a die coater, and then naturally dried at room temperature. Thus, an anode catalyst layer with an anode gas diffusion layer was formed.
白金担持グラファイト粒子と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーに上記のプロトン導電体浸漬処理を施した1枚のカーボンペーパーを浸漬した後、常温で自然乾燥した。このときスラリーはカーボンペーパーの全膜厚にわたって浸透した。白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを上記のカーボンペーパーの一方の面にダイコーターを用いて塗布した後、常温で自然乾燥した。こうして空気極ガス拡散層つき空気極触媒層を形成した。 The platinum-supported graphite particles and the solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having about 5% solid content. One carbon paper subjected to the above proton conductor immersion treatment was immersed in this slurry, and then naturally dried at room temperature. At this time, the slurry penetrated over the entire film thickness of the carbon paper. A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. The slurry was applied to one side of the carbon paper using a die coater, and then naturally dried at room temperature. Thus, an air electrode catalyst layer with an air electrode gas diffusion layer was formed.
厚さ300μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−090、アルキメデス法による気孔率:75%)を平板プレスにより厚さが1/2になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ40.5%であった。この圧縮カーボンペーパーを2枚用意し、それぞれ燃料極ガス拡散層および空気極ガス拡散層に用いた。 Carbon paper having a thickness of 300 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. Two sheets of this compressed carbon paper were prepared and used for the fuel electrode gas diffusion layer and the air electrode gas diffusion layer, respectively.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極ガス拡散層つきの空気極触媒層を重ね合わせ、その上に空気極ガス拡散層を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極ガス拡散層つきの燃料極触媒層を重ね合わせ、その上に燃料極ガス拡散層を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, on one surface of the electrolyte membrane, an air electrode catalyst layer with an air electrode gas diffusion layer is overlaid so that the air electrode catalyst layer is on the electrolyte membrane side, and an air electrode gas diffusion layer is overlaid thereon, Pressing was performed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, a fuel electrode catalyst layer with a fuel electrode gas diffusion layer is overlaid on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane so that the fuel electrode catalyst layer is on the electrolyte membrane side. The diffusion layers were overlaid and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は40.0mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 40.0 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)、燃料極ガス拡散層中のプロトン導電体含有領域の平均厚さ(PTAGDL)、燃料極ガス拡散層中のアノード触媒含有領域の平均厚さ(CTAGDL)、CTAGDL/CTACLの比率(%)、燃料極触媒層中のアノード触媒の密度CDACLと燃料極ガス拡散層中のアノード触媒の密度CDAGDLとの差CDACL−CDAGDL(%)、空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)、空気極ガス拡散層中のプロトン導電体含有領域の平均厚さ(PTCGDL)、空気極ガス拡散層中のカソード触媒含有領域の平均厚さ(CTCGDL)、CTCGDL/CTCCLの比率(%)、空気極触媒層中のカソード触媒の密度CDCCLと空気極ガス拡散層中のカソード触媒の密度CDCGDLとの差CDCCL−CDCGDL(%)を測定した。表8にこれらの結果を示す。
(比較例1)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を平板プレスにより厚さが1/2になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ40.5%であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。
(Comparative Example 1)
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層を形成した。こうして燃料極(アノード)を作製した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to one surface of the fuel electrode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer. Thus, a fuel electrode (anode) was produced.
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層にダイコーターを用いて塗布した。これを常温で自然乾燥して空気極触媒層を形成した。こうして空気極(カソード)を作製した。 Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. This slurry was applied to the air electrode gas diffusion layer made of the carbon paper using a die coater. This was naturally dried at room temperature to form an air electrode catalyst layer. Thus, an air electrode (cathode) was produced.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、空気極触媒層が電解質膜側になるように空気極を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に燃料極触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode was superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the air electrode catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode was overlapped so that the fuel electrode catalyst layer was on the side of the electrolyte membrane on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 . . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は29.8mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 29.8 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極触媒層の平均厚さ(CTACL)および空気極触媒層の平均厚さ(CTCCL)を測定したところ、CTACLは48μm、CTCCLは50μmであった。 The MEA was taken out of the cell, cut and embedded in the resin so that the cross section was visible. The MEA embedded in the resin was polished so that its cross section was flat, and then subjected to elemental analysis by observation with an electron microscope. From the results, when the average thickness (CT ACL ) of the fuel electrode catalyst layer and the average thickness (CT CCL ) of the air electrode catalyst layer were measured, CT ACL was 48 μm and CT CCL was 50 μm.
(比較例2)
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を平板プレスにより厚さが1/2になるまで圧縮した。圧縮後のカーボンペーパーについて外形寸法と重量から気孔率を計算したところ40.5%であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層に用いた。
(Comparative Example 2)
Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was compressed by a flat plate press until the thickness became 1/2. When the porosity of the carbon paper after compression was calculated from the external dimensions and weight, it was 40.5%. This carbon paper was used for the fuel electrode gas diffusion layer.
白金ルテニウム合金微粒子を担持させたカーボン粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記の圧縮カーボンペーパーからなる燃料極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、燃料極ガス拡散層に含浸させた。これを常温で自然乾燥して燃料極触媒層のない燃料極ガス拡散層を形成した。 A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, a Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. This slurry was spray-coated on one surface of the anode gas diffusion layer made of the compressed carbon paper, and impregnated in the anode gas diffusion layer. This was naturally dried at room temperature to form a fuel electrode gas diffusion layer without a fuel electrode catalyst layer.
厚さ380μmのカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120、アルキメデス法による気孔率:75%)を空気極ガス拡散層に用いた。白金担持グラファイト粒子と、プロトン導電体としてナフィオン(登録商標)溶液DE2020(デュポン社製)と、溶媒とをホモジナイザで混合して約5%固形分のスラリーを調製した。このスラリーを、上記のカーボンペーパーからなる空気極ガス拡散層の一方の面にスプレーコートして、空気極触媒層のない空気極ガス拡散層を形成した。 Carbon paper having a thickness of 380 μm (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc., porosity by the Archimedes method: 75%) was used for the air electrode gas diffusion layer. A platinum-supported graphite particle, Nafion (registered trademark) solution DE2020 (manufactured by DuPont) as a proton conductor, and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 5%. This slurry was spray-coated on one surface of the air electrode gas diffusion layer made of the above carbon paper to form an air electrode gas diffusion layer without an air electrode catalyst layer.
電解質膜としてナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を用意した。最初に、この電解質膜の一方の面に、カソード触媒層が含浸された面が電解質膜側になるように空気極ガス拡散層を重ね合わせ、温度135℃、圧力40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極ガス拡散層を重ね合わせたのと逆の面にアノード触媒が含浸された面が電解質膜側になるように燃料極ガス拡散層を重ね合わせ、温度135℃、圧力10kgf/cm2の条件でプレスした。こうして燃料電池用電極膜接合体(MEA)を作製した。電極面積は空気極および燃料極ともに12cm2とした。 Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont) was prepared as an electrolyte membrane. First, an air electrode gas diffusion layer is superimposed on one surface of the electrolyte membrane so that the surface impregnated with the cathode catalyst layer is on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2. did. Subsequently, the fuel electrode gas diffusion layer is overlaid on the opposite side of the electrolyte membrane air electrode gas diffusion layer so that the surface impregnated with the anode catalyst is on the electrolyte membrane side. Pressing was performed under the condition of 10 kgf / cm 2 . Thus, a fuel cell electrode membrane assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
このMEAを、それぞれ空気および気化メタノールを取り入れるための複数の開孔を有する2層の金箔で挟み、空気極導電層および燃料極導電層を形成した。MEA、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。このとき、MEAの空気極側と一方のフレームとの間およびMEAの燃料極側と他方のフレームとの間に、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The MEA was sandwiched between two layers of gold foil each having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an air electrode conductive layer and a fuel electrode conductive layer. A laminate in which the MEA, the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were stacked was sandwiched between two resin frames. At this time, rubber O-rings were sandwiched between the air electrode side of the MEA and one frame and between the fuel electrode side of the MEA and the other frame, respectively, to provide a seal.
燃料極側のフレームを、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上に気孔率28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上に、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さ2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 The fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel storage chamber via a gas-liquid separation membrane by screws. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was placed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a 2 mm thick stainless steel plate (SUS304) with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is placed to form a surface cover layer and fixed by screwing did.
上記のようにして形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを5mL注入した。温度25℃、相対湿度50%の環境で発電して、電流値および電圧値を測定し、出力密度の最大値を計算した。その結果、出力密度の最大値は12.0mW/cm2であった。 5 mL of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above. Electric power was generated in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, current values and voltage values were measured, and the maximum value of the output density was calculated. As a result, the maximum value of the power density was 12.0 mW / cm 2 .
MEAをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨した後、電子顕微鏡で観察して元素分析を行った。その結果から、燃料極ガス拡散層中のアノード触媒含有領域の平均厚さ(CTAGDL)および空気極ガス拡散層中のカソード触媒含有領域の平均厚さ(CTCGDL)を測定したところ、CTAGDLは10μm、CTCGDLは8μmであった。 The MEA was taken out of the cell, cut and embedded in the resin so that the cross section was visible. The MEA embedded in the resin was polished so that its cross section was flat, and then subjected to elemental analysis by observation with an electron microscope. From the results, where the average thickness of the anode catalyst containing region of the fuel electrode gas diffusion layer (CT AGDL) and the average thickness of the cathode catalyst-containing region of the air electrode gas diffusion layer in (CT CGDL) was measured, CT AGDL Was 10 μm and CT CGDL was 8 μm.
実施例1〜8および比較例1、2を比較すると、実施例の方が比較例よりも出力密度が高いことがわかる。 When Examples 1-8 and Comparative Examples 1 and 2 are compared, it can be seen that the power density of the example is higher than that of the comparative example.
なお、カーボンペーパーにプロトン導電体を浸透させる方法は特に限定されない。また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、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 addition, the method of making a proton conductor osmose | permeate carbon paper is not specifically limited. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. 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.
また、燃料電池本体の構成としてパッシブ型の燃料電池に限らず、アクティブ型の燃料電池、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、液体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、その後に循環して液体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、燃料電池は、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、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。 Further, the configuration of the fuel cell body is not limited to a passive type fuel cell, but also to an active type fuel cell, and also to a fuel cell of a type called a semi-passive that uses a pump or the like for part of a fuel supply. The present invention can be applied. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the liquid fuel container to the membrane electrode assembly is used for the power generation reaction, and is not circulated and returned to the liquid fuel container. 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. In addition, the fuel cell uses a pump for supplying fuel, and is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. For this reason, the fuel cell is referred to as a semi-passive method 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.
また、膜電極接合体へ供給される液体燃料においても、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。 Also, the liquid fuel supplied to the membrane electrode assembly may be supplied with all the vapor of the liquid fuel, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel is supplied in a liquid state. .
1…燃料電池用電極膜接合体(MEA)、10…燃料極(アノード)、11…燃料極触媒層、12…燃料極ガス拡散層、20…空気極(カソード)、21…空気極触媒層、22…空気極ガス拡散層、30…電解質膜。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell electrode membrane assembly (MEA), 10 ... Fuel electrode (anode), 11 ... Fuel electrode catalyst layer, 12 ... Fuel electrode gas diffusion layer, 20 ... Air electrode (cathode), 21 ... Air electrode catalyst layer , 22 ... air electrode gas diffusion layer, 30 ... electrolyte membrane.
Claims (12)
カソード触媒を含有する空気極触媒層、および前記空気極触媒層の一方の面に設けられたカソード触媒を含有する空気極ガス拡散層を有する空気極と、
前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜と
を具備したことを特徴とする燃料電池用電極膜接合体。 A fuel electrode having an anode catalyst layer containing an anode catalyst, and a fuel electrode gas diffusion layer provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer;
An air electrode having an air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst, and an air electrode gas diffusion layer containing a cathode catalyst provided on one surface of the air electrode catalyst layer;
A fuel cell electrode membrane assembly comprising an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode and an air electrode catalyst layer of the air electrode.
カソード触媒を含有する空気極触媒層、および前記空気極触媒層の一方の面に設けられた空気極ガス拡散層を有する空気極と、
前記燃料極の燃料極触媒層と前記空気極の空気極触媒層との間に挟持された電解質膜と
を具備したことを特徴とする燃料電池用電極膜接合体。 A fuel electrode having a fuel electrode catalyst layer containing an anode catalyst and a fuel electrode gas diffusion layer containing an anode catalyst provided on one surface of the fuel electrode catalyst layer;
An air electrode catalyst layer containing a cathode catalyst, and an air electrode having an air electrode gas diffusion layer provided on one surface of the air electrode catalyst layer;
A fuel cell electrode membrane assembly comprising an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode catalyst layer of the fuel electrode and an air electrode catalyst layer of the air electrode.
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