JP2009048896A - Membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
Membrane electrode assembly, and fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009048896A JP2009048896A JP2007214581A JP2007214581A JP2009048896A JP 2009048896 A JP2009048896 A JP 2009048896A JP 2007214581 A JP2007214581 A JP 2007214581A JP 2007214581 A JP2007214581 A JP 2007214581A JP 2009048896 A JP2009048896 A JP 2009048896A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst layer
- membrane
- electrolyte membrane
- platinum
- electrode assembly
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 159
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 31
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 196
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 111
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 95
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 90
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 40
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 7
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 5
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- -1 Platinum ions Chemical class 0.000 abstract description 25
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 10
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 abstract description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 6
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 2
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 238000001226 reprecipitation Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
本発明は、膜電極接合体および膜電極接合体を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly and a fuel cell using the membrane electrode assembly.
水素ガスと酸化ガスとの化学反応により発電する燃料電池が利用されている。燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜を用いている。個体高分子型の燃料電池は、電解質膜の両面にカソード触媒電極層とアノード触媒電極層が配置された膜電極接合体と、膜電極接合体の両面側に配置されたセパレータとから構成される単セルを複数積層して構成されている。 Fuel cells that generate electricity by a chemical reaction between hydrogen gas and oxidizing gas are used. The fuel cell uses, for example, a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity. A solid polymer fuel cell is composed of a membrane electrode assembly in which a cathode catalyst electrode layer and an anode catalyst electrode layer are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane, and a separator disposed on both sides of the membrane electrode assembly. A plurality of single cells are stacked.
カソード電極触媒層およびアノード電極触媒層は、炭素粒子に触媒を担持したカーボン担持触媒を用いて薄膜状に形成されている。触媒には、例えば、白金が用いられており、触媒は、各電極触媒層における化学反応を促進する。 The cathode electrode catalyst layer and the anode electrode catalyst layer are formed in a thin film using a carbon-supported catalyst in which a catalyst is supported on carbon particles. For example, platinum is used as the catalyst, and the catalyst promotes a chemical reaction in each electrode catalyst layer.
しかしながら、燃料電池を長期に亘って稼働させると、白金粒子が溶解して白金イオン(Pt2+、Pt4+)となり、電解質膜内へ移動する。電解質膜では、白金イオンがアノードからの水素ガスと反応して還元され、再結晶して白金粒子(Pt)となり、電解質膜内で析出する。電解質膜中で析出した白金は電極反応に関与できないため、燃料電池の出力低下を招く。また、電解質膜中の白金から発生するラジカルにより、電解質膜が分解されて劣化するという問題がある。 However, when the fuel cell is operated for a long period of time, the platinum particles are dissolved to become platinum ions (Pt 2+, Pt 4+ ) and move into the electrolyte membrane. In the electrolyte membrane, platinum ions react with hydrogen gas from the anode, are reduced, recrystallized into platinum particles (Pt), and precipitate in the electrolyte membrane. Since platinum deposited in the electrolyte membrane cannot participate in the electrode reaction, the output of the fuel cell is reduced. Further, there is a problem that the electrolyte membrane is decomposed and deteriorated by radicals generated from platinum in the electrolyte membrane.
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜の劣化抑制および燃料電池の出力性能の向上を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and aims to suppress deterioration of an electrolyte membrane and improve output performance of a fuel cell.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態はたは適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the following aspects can be realized as application examples.
[適用例1]
膜電極接合体は、電解質膜の第1の面に形成されたカソード電極触媒層と、電解質膜の前記第1の面とは異なる第2の面に形成されたアノード電極触媒層と、カソード電極触媒層および前記アノード電極触媒層のうち、白金を担持している電極触媒層と電解質膜との間に配置され、白金との親和性を有する材料を用いて形成されている中間部と、を備える。
[Application Example 1]
The membrane electrode assembly includes a cathode electrode catalyst layer formed on the first surface of the electrolyte membrane, an anode electrode catalyst layer formed on a second surface different from the first surface of the electrolyte membrane, and a cathode electrode Among the catalyst layer and the anode electrode catalyst layer, an intermediate portion disposed between the electrode catalyst layer supporting platinum and the electrolyte membrane and formed using a material having an affinity for platinum, Prepare.
第1の適用例の膜電極接合体によれば、中間部が白金を担持している電極触媒層から溶出した白金粒子を捕捉できる。従って、白金粒子の電解質膜への移動を抑制できる。よって、膜電極接合体の劣化を抑制できる。 According to the membrane electrode assembly of the first application example, it is possible to capture platinum particles eluted from the electrode catalyst layer in which the intermediate portion carries platinum. Therefore, the movement of platinum particles to the electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, deterioration of the membrane electrode assembly can be suppressed.
適用例1の膜電極接合体において、カソード電極触媒層は白金を担持しており、中間部は、カソード電極触媒層と電解質膜との間に配置されている。 In the membrane electrode assembly of Application Example 1, the cathode electrode catalyst layer carries platinum, and the intermediate portion is disposed between the cathode electrode catalyst layer and the electrolyte membrane.
適用例1の膜電極接合体によれば、白金の溶解しやすいカソード電極触媒層から溶出した白金粒子を捕捉できるため、膜電極接合体の劣化を抑制できる。 According to the membrane electrode assembly of Application Example 1, since platinum particles eluted from the cathode electrode catalyst layer in which platinum is easily dissolved can be captured, deterioration of the membrane electrode assembly can be suppressed.
適用例1の膜電極接合体は、中間部は、電気伝導性を有する材料を用いて形成されている。 In the membrane electrode assembly of Application Example 1, the intermediate portion is formed using a material having electrical conductivity.
適用例1の膜電極接合体によれば、中間部は電気伝導性を有するため、再析出された白金は、中間部を介して白金を担持した電極触媒層での電極反応に寄与できる。従って、白金を担持した担持電極触媒層における白金触媒の減少による電極反応の低下を抑制できる。 According to the membrane electrode assembly of Application Example 1, since the intermediate portion has electrical conductivity, the re-deposited platinum can contribute to the electrode reaction in the electrode catalyst layer supporting platinum through the intermediate portion. Therefore, it is possible to suppress a decrease in electrode reaction due to a decrease in platinum catalyst in the supported electrode catalyst layer supporting platinum.
適用例1の膜電極接合体は、材料は、白金、チタン、イリジウム、オスミウムの少なくとも一つを含む。 In the membrane electrode assembly of Application Example 1, the material includes at least one of platinum, titanium, iridium, and osmium.
適用例1の膜電極接合体によれば、白金、チタン、イリジウム、オスミウムは、白金との親和性が高いため、白金を担持した電極触媒層から溶出した白金イオンを効率的に捕捉できる。 According to the membrane electrode assembly of Application Example 1, platinum, titanium, iridium, and osmium have high affinity with platinum, and thus can efficiently capture platinum ions eluted from the electrode catalyst layer supporting platinum.
適用例1の膜電極接合体は、中間部は、電解質膜上もしくは白金を担持した電極触媒層上にドット状に配置されている。 In the membrane / electrode assembly of Application Example 1, the intermediate portion is arranged in the form of dots on the electrolyte membrane or on the electrode catalyst layer supporting platinum.
適用例1の膜電極接合体は、中間部は、電解質膜上もしくは白金を担持した電極触媒層上に縞状に配置されている。 In the membrane / electrode assembly of Application Example 1, the intermediate portion is arranged in a striped pattern on the electrolyte membrane or on the electrode catalyst layer supporting platinum.
適用例1の膜電極接合体は、中間部は、電解質膜上もしくは白金を担持した電極触媒層上に格子状に配置されている。 In the membrane / electrode assembly of Application Example 1, the intermediate portion is arranged in a lattice shape on the electrolyte membrane or on the electrode catalyst layer supporting platinum.
適用例1の膜電極接合体によれば、第2の再析出層がアノード電極触媒層から溶出した白金イオンを捕捉できる。従って、カソード電極触媒層から溶出した白金イオンだけでなく、アノード電極触媒層から溶出した白金イオンについても、電解質膜内への移動を抑制できる。従って、電解質膜の劣化を抑制できる。 According to the membrane electrode assembly of Application Example 1, the second reprecipitation layer can capture platinum ions eluted from the anode electrode catalyst layer. Therefore, not only platinum ions eluted from the cathode electrode catalyst layer but also platinum ions eluted from the anode electrode catalyst layer can be prevented from moving into the electrolyte membrane. Therefore, deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed.
[適用例2]
燃料電池は、電解質膜の第1の面に形成されたカソード電極触媒層と、電解質膜の第1の面とは異なる第2の面に形成されたアノード電極触媒層と、カソード電極触媒層およびアノード電極触媒層のうち、白金を担持した電極触媒層と電解質膜との間に配置され、白金との親和性を有する材料を用いて形成されている中間部とを備える膜電極接合体と、燃料電池の発電に用いられる反応ガスを膜電極接合体へ供給するための反応ガス流路を有するセパレータと、を備える。
[Application Example 2]
The fuel cell includes a cathode electrode catalyst layer formed on the first surface of the electrolyte membrane, an anode electrode catalyst layer formed on a second surface different from the first surface of the electrolyte membrane, a cathode electrode catalyst layer, Among the anode electrode catalyst layers, a membrane electrode assembly including an intermediate portion that is disposed between an electrode catalyst layer supporting platinum and an electrolyte membrane and formed using a material having an affinity for platinum; And a separator having a reaction gas channel for supplying a reaction gas used for power generation of the fuel cell to the membrane electrode assembly.
適用例2の燃料電池によれば、中間部は白金を担持した電極触媒層から溶出した白金イオンを捕捉できる。従って、溶出した白金イオンの電解質膜への移動を抑制でき、電解質膜の劣化を抑制できる。よって、燃料電池の発電性能を向上できる。 According to the fuel cell of Application Example 2, the intermediate part can capture platinum ions eluted from the electrode catalyst layer supporting platinum. Therefore, the migration of the eluted platinum ions to the electrolyte membrane can be suppressed, and deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, the power generation performance of the fuel cell can be improved.
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。 In the present invention, the various aspects described above can be applied by appropriately combining or omitting some of them.
A.実施例:
A1.燃料電池概略構成:
図1は、実施例における燃料電池の単セルの概略構成を例示する断面図である。図1に示すように、実施例の燃料電池の単セル10は、膜電極接合体20(MEA:Membrane Electrode Assembly)、膜電極接合体20の両側に配置されたガス拡散層120、121、ガス拡散層120、121および膜電極接合体20を狭持するカソード側セパレータ130およびアノード側セパレータ140を備える。MEA20は、電解質膜100と、電解質膜100の一方の面に形成された中間部110と、中間部110上に配置されたカソード電極触媒層と、電解質膜100の他方の面に形成されたアノード電極触媒層102を備える。実施例において、中間部110は、特許請求の範囲における「第1の中間層」に当たる。
A. Example:
A1. Fuel cell schematic configuration:
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a single cell of a fuel cell in an example. As shown in FIG. 1, the
電解質膜100は、例えば、ナフィオン(登録商標)により薄膜状に形成されている。中間部110は、電解質膜100のカソード電極触媒層101側の面上に形成されている。中間部110は、チタン(Ti)とアイオノマーとを材料として用いている。
The
カソード電極触媒層101は、電気化学反応を促進する触媒を担持したカーボン担体によって薄膜状に形成されており、白金担持カーボン担体には、アイオノマーが分散されている。実施例では、担持触媒に、白金粒子(Pt)を用いるが、白金の他、例えば白金合金を用いてもよい。
The cathode
アノード電極触媒層102は、カソード電極触媒層101と同様に、カーボン単体に白金触媒が担持されている。
As in the cathode
ガス拡散層120,121は、気孔率が約20%程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層120,121は、接合によりMEA20と一体化されている。ガス拡散層120,121は、その厚み方向に反応ガスを拡散する。
The
カソード側セパレータ130およびアノード側セパレータ140は、ステンレス鋼やチタン,チタン合金など、導電性の金属材料から形成されている。カソード側セパレータ130には、酸化ガスを膜電極接合体20に供給するための流路132が形成されている。アノード側セパレータ140には、燃料ガスを膜電極接合体20に供給するための流路142が形成されている。
The
図2は、実施例における中間部110の詳細構成について例示する説明図である。図2(a)は、電解質膜を例示する平面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A断面を例示する断面図である。図2(a)および図2(b)に示すように、中間部110は、チタン(Ti)が電解質膜100上に所定の間隔で並ぶように、換言すれば、ストライプ状に形成されている。電解質膜100の厚みは、例えば、50nmであり、中間部110の厚みは、例えば、100nm以下、より好ましくは50nm以下である。なお、電解質膜100の厚みは、20nm〜50nmが好ましい。また、中間部110の電解質膜100に対する被覆率は、例えば、約30%である。中間部110の厚みおよび被覆率が増加すると、電解質膜100からカソード電極触媒層101へのプロトン伝導距離が増加するとともに、カソード電極触媒層101中のアイオノマーと電解質膜との密着性が低下する。この結果、電解質膜100からカソード電極触媒層101へのプロトン伝導性が阻害されるおそれがある。よって、中間部110の厚みおよび被覆率は、上記の値が好ましい。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the detailed configuration of the
中間部110を構成するチタン(Ti)は、カソード電極触媒層101から溶出する白金イオン(Pt2+、Pt4+)と結合し、白金イオン(Pt2+、Pt4+)の電解質膜100への侵入を抑制する。実施例では、チタン(Ti)と白金イオン(Pt2+、Pt4+)との結合を、チタン(Ti)による白金イオン(Pt2+、Pt4+)のキャプチャ、ともいう。
Titanium constituting the intermediate portion 110 (Ti) are platinum ions (Pt 2+, Pt 4+) eluting from the cathode
A2.白金イオンの捕捉(キャプチャ)について:
図3は、実施例におけるチタン(Ti)による白金イオン(Pt2+、Pt4+)イオンのキャプチャについて説明する模式図である。図3は、図1の円X部分の拡大図である。
A2. About platinum ion capture:
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating capture of platinum ions (Pt 2+, Pt 4+ ) ions by titanium (Ti) in the example. FIG. 3 is an enlarged view of a circle X portion of FIG.
燃料電池を長時間稼働させると、図3(a)に示すように、カソード電極触媒層101に担持されている白金が溶解して白金イオン(Pt2+、Pt4+)が溶出する。
When the fuel cell is operated for a long time, as shown in FIG. 3A, platinum supported on the cathode
中間層110を構成するチタン(Ti)は、白金(Pt)と親和性が高いため、白金(Pt)と容易に結合することが判った。このため、溶出した白金イオン(Pt2+、Pt4+)は、図3(b)に示すように、電解質膜100内へ移動する前に、中間部110において白金と親和性の高いチタンと結合する。
Titanium (Ti) constituting the
チタンと結合した白金イオン(Pt2+、Pt4+)は、図3(c)に示すように、アノード電極触媒層102から移動してくる水素ガス(H2)により、または電気化学的に還元される。これにより、中間部110において、白金(Pt)が再度析出される。中間部110に含まれるチタン(Ti)は、燃料電池のカソード電極触媒層101の動作環境(高電位および低pH)で電子伝導性を有しており、また、中間部110に含まれるアイオノマーはプロトン伝導性を有している。よって、中間部110で析出された白金は、その場で発電反応に関与できる。
As shown in FIG. 3C , platinum ions (Pt 2+, Pt 4+ ) bonded to titanium are caused by hydrogen gas (H 2 ) moving from the anode
A3.製造方法:
図4は、実施例における膜電極接合体の製造工程を例示するフローチャートである。第1に、電解質膜100の一方の面に中間部110を形成する(ステップS10)。具体的には、基板ホルダーに電解質膜を固定し、電解質膜の一方の面に開口率約30%のストライプ状メタルマスクを密着させ、DCスパッタ法によりチタンをメタルマスクの上から電解質膜に付着させる。チタンは、メタルマスクの開口部分にのみ付着し、ストライプ状の中間部110が形成される。
A3. Production method:
FIG. 4 is a flowchart illustrating the manufacturing process of the membrane electrode assembly in the example. First, the
第2に、電極触媒層を形成する(ステップS12)。具体的には、カーボン担持体に白金粒子を50重量%担持させて白金担持カーボンを製造する。カソード電極触媒層の作製では、製造された白金担持カーボンとアイオノマー(デュポン社製)とを、重量比3:4で混合してエタノール/水混合溶媒中に分散させて触媒インクを作製し、シート状に形成された電極の表面に触媒インクを塗布し乾燥させる。アノード電極触媒層102の作製では、製造された白金担持カーボンとアイオノマー(デュポン社)とを、重量比1:1で混合してエタノール/水混合溶媒中に分散させて触媒インクを作製し、電極の表面に触媒インクを塗布し乾燥させる。
Second, an electrode catalyst layer is formed (step S12). Specifically, platinum-supporting carbon is produced by supporting 50% by weight of platinum particles on a carbon support. In the production of the cathode electrode catalyst layer, the produced platinum-supported carbon and ionomer (manufactured by DuPont) are mixed at a weight ratio of 3: 4 and dispersed in an ethanol / water mixed solvent to produce a catalyst ink, and a sheet The catalyst ink is applied to the surface of the electrode formed in a shape and dried. In the production of the anode
第3に、中間部110が形成された電解質膜100と電極触媒層101,102とを接合する(ステップS14)。具体的には、電解質膜100の中間部110が形成されている側に、カソード電極触媒層101を配置し、電解質膜100の他方の側にアノード電極触媒層102を配置し、熱圧着により電解質膜100とカソード電極触媒層101,アノード電極触媒層102とを接合する。このようして、膜電極接合体が作製される。
Third, the
A4.膜電極接合体の性能評価:
図5は、実施例における膜電極接合体の性能評価を示すグラフである。性能評価グラフ300において、縦軸は燃料電池の出力電圧Vを表す。性能評価グラフ300は、燃料電池について、アノード電極触媒層102には、1.5気圧、温度80℃、露点80℃の燃料ガスを供給し、カソード電極触媒層101には、1.5気圧、温度80℃、露点75℃の空気を供給し、0.2〜1.0Vの電位サイクル試験を5000サイクル行った後に出力測定を行った結果を示している。なお、グラフ300において、棒グラフ310は、中間部110を備える膜電極接合体20の電位サイクル試験前の出力電圧を示しており、棒グラフ320は、中間部110を備えない膜電極接合体(以降、実施例では、比較例と呼ぶ)の電位サイクル試験前の出力電圧を示している。また、棒グラフ311は、中間部110を備える膜電極接合体20の電位サイクル試験後の出力電圧を示しており、棒グラフ321は、比較例の電位サイクル試験後の出力電圧を示している。
A4. Performance evaluation of membrane electrode assembly:
FIG. 5 is a graph showing the performance evaluation of the membrane electrode assembly in the example. In the
電位サイクル試験前では、棒グラフ310と棒グラフ320とが示すように、膜電極接合体20の出力電圧と比較例の出力電圧とは、ほぼ同一のP1である。一方、電位サイクル試験後では、棒グラフ311が示すように、膜電極接合体20の出力電圧はP1からP2まで(約5%)低下しており、棒グラフ312が示すように、比較例の出力電圧は、P1からP3まで(約20%)低下している。すなわち、中間部110を備える膜電極接合体20は、中間部110を備えない比較例よりも、出力低下が抑制されている。
Before the potential cycle test, as indicated by the
また、電位サイクル試験後の膜電極接合体20および比較例の断面を電子顕微鏡で観察したところ、比較例では、電解質膜100中に白金(Pt)の析出物が多く観察されたのに対し、膜電極接合体20では、電解質膜100中に白金(Pt)の析出物がほとんど観察されなかった。更に、膜電極接合体20の中間部110から、白金(Pt)が検出された。
In addition, when the cross section of the
以上説明した実施例によれば、膜電極接合体20に電解質膜100とカソード電極触媒層101との間に、白金と親和性の高いチタンにより形成された中間部110を設けることができる。中間部は、燃料電池の長期に亘る稼働によってカソード電極触媒層101から溶出した白金を、電解質膜内へ移動する前にキャプチャできる。従って、触媒層から電解質膜への白金の析出を抑制でき、電解質膜の劣化・損傷を抑制できる。
According to the embodiment described above, the
また、実施例の膜電極接合体において、中間部は、電気伝導性およびプロトン伝導性を有しているため、中間部110で析出された白金は、その場で発電反応に関与できる。従って、カソード電極触媒層101から溶出した白金も発電反応に関与できるため、燃料電池の発電効率を向上できる。
In the membrane electrode assembly of the example, the intermediate part has electrical conductivity and proton conductivity, and thus the platinum deposited in the
B.変形例:
(1)上述の実施例では、電解質膜100とカソード電極触媒層101との間にのみチタンを材料とする中間部が配置されているが、例えば、電解質膜100とアノード電極触媒層102との間のみに中間部を配置してもよいし、両電極触媒層と電解質膜との間に中間部を配置してもよい。白金を担持した電極触媒層と電解質膜との間に中間部があればよく、両電極触媒層が白金を担持した電極触媒層である場合には、アノード電極触媒層およびカソード電極触媒層の少なくとも一方にのみ中間部を配置してもよいし、両方に中間部を配置してもよい。
B. Variations:
(1) In the above-described embodiment, an intermediate portion made of titanium is disposed only between the
図6は、変形例(1)における燃料電池の単セルを例示する断面図である。図6に示すように、電解質膜100とアノード電極触媒層102との間に中間部111が配置されている。中間部111は、中間部110と同様に、チタン(Ti)を材料としており、チタン(Ti)が電解質膜100上に所定の間隔で並ぶように、換言すれば、ストライプ状に形成されている。中間部110の電解質膜100に対する被覆率は、例えば、約30%である。中間部110は、特許請求の範囲における「第2の中間部」に当たる。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a single cell of the fuel cell in Modification Example (1). As shown in FIG. 6, an
アノード電極触媒層102においても、カソード電極触媒層101と同様に、長期に亘って燃料電池の運転を行うと、担持触媒である白金(Pt)が溶解し白金イオン(Pt2+、Pt4+)が溶出する。白金イオン(Pt2+、Pt4+)の一部は、アノード電極触媒層102内で水素ガスにより還元されて析出して白金となる。すなわち、アノード電極触媒層102内で溶出した白金イオン(Pt2+、Pt4+)の一部は、アノード電極触媒層102内で再析出する。残りの一部の白金イオン(Pt2+、Pt4+)は電解質膜100方向へ移動する。
Also in the anode
本変形例の膜電極接合体によれば、電解質膜100とカソード電極触媒層101との間だけでなく、電解質膜100とアノード電極触媒層102との間にも、白金と親和性の高いチタンを配置できる。従って、カソード電極触媒層101およびアノード電極触媒層102において溶出する白金イオン(Pt2+、Pt4+)を、電解質膜100内に移動するまえにキャプチャできる。よって、電解質膜100内での白金の再析出を抑制でき、電解質膜100の損傷を抑制できる。
According to the membrane electrode assembly of this modification, titanium having a high affinity with platinum not only between the
(2)上述の実施例では、中間部は電解質膜100上にストライプ状に配置されているが、例えば、電解質膜100上にドット状に配置されていてもよい。
(2) In the above-described embodiment, the intermediate portion is arranged in a stripe shape on the
図7は、変形例(2)における電解質膜を例示する平面図である。図6に示すように、中間部110aは、電解質膜100上にドット状に配置されている。中間部110aの電解質膜100に対する被覆率は、例えば、約30%である。中間部110aは、スパッタリング等種々の方法により簡易に形成できる。
FIG. 7 is a plan view illustrating an electrolyte membrane in Modification Example (2). As shown in FIG. 6, the
(3)また、中間部110bは電解質膜100上に格子状に配置されていてもよい。図8は、変形例における電解質膜を例示する平面図である。図8に示すように、中間部110bは、電解質膜100上に格子状に配置されている。中間部110bは、例えば、格子状の0メタルマスクを用いてスパッタリング法により形成してもよい。中間部110bの電解質膜100に対する被覆率は、例えば、約30%である。
(3) Moreover, the
(4)上述の実施例では、中間部110はチタン(Ti)を材料として形成されているが、例えば、チタン(Ti)の他に、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、酸化チタン(TiO2)等を用いて形成してもよい。中間部110の材料としては、カソード電極触媒層101、アノード電極触媒層102に担持されている触媒と親和性を有しており、好ましくは電気伝導性有する材料であればよい。更には、燃料電池動作電位での耐食性を有していることが好ましい。
(4) In the above-described embodiment, the
(5)上述の実施例では、中間部110は、スパッタリング等により電解質膜100上に形成されているものとしているが、例えば、カソード電極触媒層101上に形成してもよい。
(5) In the above-described embodiment, the
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。 Although various embodiments of the present invention have been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to these embodiments and can take various configurations without departing from the spirit of the present invention.
10…単セル
20…膜電極接合体
100…電解質膜
101…カソード電極触媒層
102…アノード電極触媒層
110…中間部
111…中間部
120…ガス拡散層
130…カソード側セパレータ
132…流路
140…アノード側セパレータ
142…流路
300…性能評価グラフ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の第1の面に形成されたカソード電極触媒層と、
前記電解質膜の前記第1の面とは異なる第2の面に形成されたアノード電極触媒層と、
前記カソード電極触媒層および前記アノード電極触媒層のうち、白金を担持している電極触媒層と前記電解質膜との間に配置され、白金との親和性を有する材料を用いて形成されている中間部と、を備える膜電極接合体。 A membrane electrode assembly,
An electrolyte membrane having proton conductivity;
A cathode electrode catalyst layer formed on the first surface of the electrolyte membrane;
An anode electrode catalyst layer formed on a second surface different from the first surface of the electrolyte membrane;
Of the cathode electrode catalyst layer and the anode electrode catalyst layer, an intermediate layer that is disposed between the electrode catalyst layer supporting platinum and the electrolyte membrane and is formed using a material having an affinity for platinum. A membrane electrode assembly.
前記カソード電極触媒層は白金を担持しており、
前記中間部は、前記カソード電極触媒層と前記電解質膜との間に配置されている、膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 1,
The cathode electrode catalyst layer carries platinum,
The intermediate part is a membrane / electrode assembly disposed between the cathode electrode catalyst layer and the electrolyte membrane.
前記中間部は、電気伝導性を有する材料を用いて形成されている、膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 1,
The said intermediate part is a membrane electrode assembly formed using the material which has electrical conductivity.
前記材料は、白金、チタン、イリジウム、オスミウムの少なくとも一つを含む、膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein
The material is a membrane electrode assembly including at least one of platinum, titanium, iridium, and osmium.
前記中間部は、前記電解質膜上もしくは前記白金を担持した電極触媒層上にドット状に配置されている、膜電極接合体。 A membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4,
The said intermediate part is a membrane electrode assembly arrange | positioned at the dot form on the electrode catalyst layer which carry | supported the said electrolyte membrane or the said platinum.
前記中間部は、前記電解質膜上もしくは前記白金を担持した電極触媒層上に縞状に配置されている、膜電極接合体。 A membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4,
The said intermediate part is a membrane electrode assembly arrange | positioned on the said electrolyte membrane or the electrode catalyst layer which carry | supported the said platinum at stripe form.
前記中間部は、前記電解質膜上もしくは前記白金を担持した電極触媒層上に格子状に配置されている、膜電極接合体。 A membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4,
The said intermediate part is a membrane electrode assembly arrange | positioned on the said electrolyte membrane or the electrode catalyst layer which carry | supported the said platinum in the shape of a grid | lattice.
前記電解質膜の第1の面に形成されたカソード電極触媒層と、前記電解質膜の前記第1の面とは異なる第2の面に形成されたアノード電極触媒層と、前記カソード電極触媒層および前記アノード電極触媒層のうち、白金を担持している電極触媒層と前記電解質膜との間に配置され、白金との親和性を有する材料を用いて形成されている中間部とを備える膜電極接合体と、
前記燃料電池の発電に用いられる反応ガスを前記膜電極接合体へ供給するための反応ガス流路を有するセパレータと、を備える、燃料電池。 A fuel cell,
A cathode electrode catalyst layer formed on the first surface of the electrolyte membrane; an anode electrode catalyst layer formed on a second surface different from the first surface of the electrolyte membrane; the cathode electrode catalyst layer; Among the anode electrode catalyst layers, a membrane electrode provided between an electrode catalyst layer carrying platinum and the electrolyte membrane, and an intermediate portion formed using a material having an affinity for platinum A joined body;
And a separator having a reaction gas flow path for supplying a reaction gas used for power generation of the fuel cell to the membrane electrode assembly.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007214581A JP5194636B2 (en) | 2007-08-21 | 2007-08-21 | Membrane electrode assembly, fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007214581A JP5194636B2 (en) | 2007-08-21 | 2007-08-21 | Membrane electrode assembly, fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009048896A true JP2009048896A (en) | 2009-03-05 |
JP5194636B2 JP5194636B2 (en) | 2013-05-08 |
Family
ID=40500928
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007214581A Expired - Fee Related JP5194636B2 (en) | 2007-08-21 | 2007-08-21 | Membrane electrode assembly, fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5194636B2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005317467A (en) * | 2004-04-30 | 2005-11-10 | Nissan Motor Co Ltd | Electrode for fuel cell and mea for fuel cell using the same |
JP2006147345A (en) * | 2004-11-19 | 2006-06-08 | Nissan Motor Co Ltd | Electrode catalyst layer and its manufacturing method |
JP2006236631A (en) * | 2005-02-22 | 2006-09-07 | Nissan Motor Co Ltd | Polymer electrolyte fuel cell and vehicle mounting the same |
JP2006252967A (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Nissan Motor Co Ltd | Solid polymer electrolyte membrane for fuel cell, and fuel cell using the same |
JP2007087826A (en) * | 2005-09-22 | 2007-04-05 | Nissan Motor Co Ltd | Catalyst structure for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell having the catalyst layer structure |
-
2007
- 2007-08-21 JP JP2007214581A patent/JP5194636B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005317467A (en) * | 2004-04-30 | 2005-11-10 | Nissan Motor Co Ltd | Electrode for fuel cell and mea for fuel cell using the same |
JP2006147345A (en) * | 2004-11-19 | 2006-06-08 | Nissan Motor Co Ltd | Electrode catalyst layer and its manufacturing method |
JP2006236631A (en) * | 2005-02-22 | 2006-09-07 | Nissan Motor Co Ltd | Polymer electrolyte fuel cell and vehicle mounting the same |
JP2006252967A (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Nissan Motor Co Ltd | Solid polymer electrolyte membrane for fuel cell, and fuel cell using the same |
JP2007087826A (en) * | 2005-09-22 | 2007-04-05 | Nissan Motor Co Ltd | Catalyst structure for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell having the catalyst layer structure |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5194636B2 (en) | 2013-05-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4702365B2 (en) | Fuel cell separator and method for producing the same | |
JP5151061B2 (en) | Fuel cell | |
JP2006054165A (en) | Polymer fuel electrolyte cell and manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell | |
JP2008204876A (en) | Fuel cell separator, manufacturing method of fuel cell separator and fuel cell | |
JP2001076740A (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP2018522365A (en) | Fuel cell electrode material and apparatus | |
JP3711545B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP6382277B2 (en) | Method for forming a corrosion-resistant catalyst and ink composition | |
US20100068591A1 (en) | Fuel cell catalyst, fuel cell cathode and polymer electrolyte fuel cell including the same | |
JP5900995B2 (en) | Fuel cell electrode having a gradient catalyst structure | |
US8518606B2 (en) | Catalyst thin layer and method for fabricating the same | |
US7691770B2 (en) | Electrode structure and methods of making same | |
JP3711546B2 (en) | Fuel cell electrode structure and manufacturing method thereof | |
JP2019160444A (en) | Electrode catalyst layer/gas diffusion layer integration type electrode structure, method for manufacturing the same, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell | |
JP5194636B2 (en) | Membrane electrode assembly, fuel cell | |
JP2007128908A (en) | Cell unit of solid polymer electrolyte fuel cell | |
JP2009272052A (en) | Membrane electrode assembly, and fuel cell | |
Lyth et al. | Electrocatalysts in polymer electrolyte membrane fuel cells | |
Yasutake et al. | Ru-core Ir-shell electrocatalysts deposited on a surface-modified Ti-based porous transport layer for polymer electrolyte membrane water electrolysis | |
JPH06150944A (en) | Fuel cell electrode | |
KR101483489B1 (en) | Seperator for fuel cell and method for manufacturing the same | |
JP2005285574A (en) | Solid polymer type fuel cell | |
JP2006040703A (en) | Catalyst carrying method of solid polymer fuel cell and membrane-electrode junction | |
JP2007214036A (en) | Operation method for fuel cell, and fuel cell | |
JP2006040633A (en) | Electrode for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell using it |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100119 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120924 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121002 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121127 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130108 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130121 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160215 Year of fee payment: 3 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5194636 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160215 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |