JP2009099362A - Catalyst carrying electrode and unit cell of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用の触媒担持電極に係り、とりわけ、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極に関する。 The present invention relates to a catalyst-carrying electrode for a fuel cell, and more particularly to a catalyst-carrying electrode having an excellent gas diffusion function.
また、触媒担持電極を備えた燃料電池セルに係り、とりわけ、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極を備えた燃料電池セルに関する。 The present invention also relates to a fuel cell having a catalyst-carrying electrode, and more particularly to a fuel cell having a catalyst-carrying electrode having an excellent gas diffusion function.
今日、燃料としての水素を酸素と反応させることによって電力と水とを発生させる燃料電池が、現存する発電システムに置き換わり得る発電器として、注目されている。燃料電池は、通常、供給された水素と酸素とを反応させる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、膜電極接合体の両側に配置されたセパレータと、を有する燃料電池セルを多数含んでいる。 Today, fuel cells that generate electricity and water by reacting hydrogen as fuel with oxygen are attracting attention as power generators that can replace existing power generation systems. 2. Description of the Related Art A fuel cell usually includes a number of fuel cells each having a membrane electrode assembly (MEA) that reacts supplied hydrogen and oxygen and separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly. It is out.
文献1にも開示されているように、膜電極接合体と各セパレータとの間には、燃料となる水素ガスや、水素ガスと反応する酸素ガスまたは空気等を流すための、ガス流路が形成されている。そして、膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両側にそれぞれ配置された一対の触媒層(電極)と、各触媒層と各セパレータとの間にそれぞれ配置された一対のガス拡散層と、を有している。 As disclosed in Document 1, there is a gas flow path between the membrane electrode assembly and each separator for flowing hydrogen gas as fuel, oxygen gas that reacts with hydrogen gas, air, or the like. Is formed. The membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers (electrodes) disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers respectively disposed between the catalyst layers and the separators. ,have.
例えば文献2の第45頁に記載されているように、触媒層は、ガス流路から供給されるガスを反応させるための電極触媒を担持した層であって、一般的に、数十μmの厚みを有している。一方、ガス拡散層は、文献2の第46頁に記載されているように、例えば、直径が5μm程度のカーボン繊維から構成された厚さ100μm〜300μm程度の層である。このガス拡散層は、ガス流路からのガスを拡散させて触媒層にガスを供給するための層であり、例えば、孔径が数十μm〜数百μm程度の気孔を有している。ガス流路からのガスを触媒層の全面へ十分に拡散させることができれば、高価な電極触媒を有効利用して、燃料電池セルを優れた効率で動作させることができるようになる。
文献1では、電極の材料を改良することにより、耐久性を維持しながらガス拡散性を向上させ、電極触媒を有効利用することが提案されている。しかしながら、今日において、燃料電池セルの動作効率に対する要求はさらに高まっている。 In literature 1, it is proposed to improve the gas diffusivity while maintaining durability by improving the electrode material, and to effectively use the electrode catalyst. However, today, the demand for operating efficiency of fuel cells is further increased.
すなわち、本発明は、優れたガス拡散性を有する触媒担持電極(触媒層)を提供することを目的とする。また、本発明は、優れたガス拡散性を有する触媒担持電極(触媒層)を備えた燃料電池セルを提供することを目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide a catalyst-carrying electrode (catalyst layer) having excellent gas diffusibility. Another object of the present invention is to provide a fuel cell having a catalyst-carrying electrode (catalyst layer) having excellent gas diffusibility.
ところで、燃料電池は、例えば、数十個〜数百個の燃料電池セルを積み重ねることによって構成され、所望の起電力を有するようになる。このような燃料電池においては、燃料電池セルの薄型化を図り、燃料電池の小型化を達成することも、今日における一つの重要な課題となっている。したがって、本発明による触媒担持電極が優れたガス拡散機能を有し、これにより、従来のガス拡散層を省略して燃料電池セルの厚みを薄くすることができれば、非常に都合が良い。 By the way, the fuel cell is configured by stacking several tens to several hundreds of fuel cells, for example, and has a desired electromotive force. In such a fuel cell, it is an important subject today to achieve a reduction in the thickness of the fuel cell and a reduction in the size of the fuel cell. Therefore, it is very convenient if the catalyst-carrying electrode according to the present invention has an excellent gas diffusion function, and thereby the thickness of the fuel cell can be reduced by omitting the conventional gas diffusion layer.
本発明による触媒担持電極は、多数の孔を形成された金属シートと、前記金属シートに支持された多孔質担体であって、少なくとも前記孔内に配置された多孔質担体と、前記多孔質担体に担持された粒子状の電極触媒と、を備えることを特徴とする。 The catalyst-supporting electrode according to the present invention includes a metal sheet having a large number of pores, a porous carrier supported by the metal sheet, at least a porous carrier disposed in the pores, and the porous carrier. And a particulate electrode catalyst supported on the substrate.
本発明による触媒担持電極において、前記金属シートの一方の面から他方の面に向け、前記金属シートのシート面に沿った孔の断面積はしだいに小さくなっていくようにしてもよい。 In the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the cross-sectional area of the hole along the sheet surface of the metal sheet may gradually decrease from one surface of the metal sheet to the other surface.
また、本発明による触媒担持電極において、前記金属シートの開孔率は40%以上であり、前記金属シートの孔の平均孔径は60μm以下であるようにしてもよい。 In the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the metal sheet may have an open area ratio of 40% or more, and an average hole diameter of the holes of the metal sheet may be 60 μm or less.
さらに、本発明による触媒担持電極において、前記多孔質担体は互いに接合された複数の担体粒子を含み、前記粒子状電極触媒は前記担体粒子に担持されているようにしてもよい。このような本発明による触媒担持電極において、前記担体粒子は、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれか一つを含むようにしてもよい。 Furthermore, in the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the porous carrier may include a plurality of carrier particles bonded to each other, and the particulate electrode catalyst may be carried on the carrier particles. In such a catalyst-carrying electrode according to the present invention, the carrier particles may include at least one of carbon particles, carbon fibers, carbon nanohorns, and carbon nanotubes.
さらに、本発明による触媒担持電極において、前記多孔質担体は、前記金属シートの少なくともいずれか一方の面上にも配置されているようにしてもよい。このような本発明による触媒担持電極において、前記粒子状電極触媒は、白金または白金合金からなるようにしてもよい。 Furthermore, in the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the porous carrier may be disposed on at least one surface of the metal sheet. In such a catalyst-carrying electrode according to the present invention, the particulate electrode catalyst may be made of platinum or a platinum alloy.
本発明による燃料電池セルは、上述したいずれか一項に記載された触媒担持電極を備えることを特徴とする。 A fuel cell according to the present invention includes the catalyst-supporting electrode described in any one of the above.
本発明によれば、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極、および、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極を備えた燃料電池セルが得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell provided with the catalyst carrying electrode which has the outstanding gas diffusion function, and the catalyst carrying electrode which has the outstanding gas diffusion function is obtained.
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1乃至図11は本発明による触媒担持電極および燃料電池セルの一実施の形態を説明するための図である。このうち図1は触媒担持電極の断面図であり、図2は触媒担持電極が組み込まれた燃料電池セルを示す分解斜視図であり、図3は多数の燃料電池セルからなる燃料電池を示す斜視図である。なお、図1に示された断面は、図2におけるI−I線に沿った断面に相当する。 FIG. 1 to FIG. 11 are diagrams for explaining an embodiment of a catalyst-carrying electrode and a fuel cell according to the present invention. 1 is a cross-sectional view of a catalyst-carrying electrode, FIG. 2 is an exploded perspective view showing a fuel cell in which the catalyst-carrying electrode is incorporated, and FIG. 3 is a perspective view showing a fuel cell composed of a large number of fuel cells. FIG. The cross section shown in FIG. 1 corresponds to the cross section taken along the line II in FIG.
図2に示すように、燃料電池セル50は、膜電極接合体(MEA)35と、膜電極接合体35の両側に配置された一対のセパレータ40,41と、を有している。膜電極接合体35は、電解質膜30と、電解質膜30の両側に配置された一対の触媒担持電極10,11と、を有している。そして、図3に示すように、この燃料電池セル50が積み重ねられ、所望の起電力を有する燃料電池55(スタック55a)が形成される。以下、燃料電池セル50の各構成について説明していく。
As shown in FIG. 2, the
まず、セパレータ40,41について説明する。図2に示すように、セパレータ40,41は、直角四辺形の板状に形成されている。セパレータ40,41には、四隅のそれぞれの近傍に一つずつ貫通孔42が形成されている。また、図2に示されているように、各セパレータ40,41の膜電極接合体35に対面する側の面に、サーペンタイン状(曲がりくねって蛇行した形状、serpentine)の溝43が形成されている。溝43の両端は、それぞれ一つの貫通孔42に通じている。そして、この溝43が、膜電極接合体35とセパレータ40,41との間に設けられたガス流路を形成するようになる。このガス流路43には、膜電極接合体35の触媒担持電極10,11へ供給されるガスが流れる。
First, the
このようなセパレータ40,41は、カーボンと樹脂との混合物であるカーボン樹脂や、ステンレス、アルミニウムまたは銅等の金属を用いることができる。ただし、金属からセパレータ40,41を形成する場合には、耐食性を向上させることを目的として、セパレータ40,41の表面を金めっきすることが好ましい。
次に、膜電極接合体35について説明する。上述したように、膜電極接合体35は、電解質膜30と、電解質膜30の両側に配置された一対の触媒担持電極10,11と、を有している。電解質膜30は、プロトンH+が透過可能な膜、例えばパーフルオロスルホン酸イオン交換膜から構成され得る。
Next, the
次に、触媒担持電極10,11について詳述する。触媒担持電極は、電解質膜30の一方の側(図2における右側)に配置された水素極(燃料極)10と、電解質膜30の他方の側に配置された酸素極(空気極)11と、を含んでいる。この二つの触媒担持電極10,11は、略同一の構成を有している。以下における触媒担持電極の説明は、特筆しない限りにおいて、両方の触媒担持電極10,11に関する説明である。
Next, the
図1に示すように、触媒担持電極10,11は、所定のピッチで多数の孔22を形成された金属シート20と、金属シート20に支持された多孔質担体15と、多孔質担体15に担持された粒子状の電極触媒12と、を有している。このうちまず、主に図4乃至図8を参照して、金属シート20について詳述する。ここで、図4は金属シート20を示す部分平面図であり、図5は図4のV−V線に沿った断面図である。また、ここでいう粒子とは、球状、多角形状、繊維状等の種々の形状を有した微小片を含む概念である。
As shown in FIG. 1, the catalyst-carrying
金属シート20は、多数の孔22を形成された金属製のシートである。金属シート20は、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅等から形成することができる。ただし、上述したセパレータ10,11と同様に、耐食性を向上させることを目的として、金属シートの表面を金めっきしておくことが好ましい。ところで、触媒担持電極10,11が燃料電池セル50に組み込まれる場合、使用時の強度(耐久性)を確保することができる限りにおいて、金属シート20の厚みは薄い方が好ましい。燃料電池セル50の小型化を図ることができ、また、燃料電池セル50の単位体積あたりの起電力を高めることができるためである。このことから、金属シート20の厚みを、例えば20μm以上100μm以下とすることができ、さらに好ましくは、20μm以上50μm以下とすることができる。
The
図4に示すように、本実施の形態において、各孔22は、金属シート20の平面視において(金属シート20のシート面に直交する方向から見た場合において)、略円形状の輪郭を有している。また、多数の孔22は、略同一形状(±5μm以下)に形成されている。
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, each
図4に示すように、本実施の形態において、金属シート20の孔22は、その配置中心が、周囲に配置された隣り合う孔22の配置中心から等距離Pだけ離間するよう、それぞれ配設されている。このため、孔22の径が同一であれば、隣り合う孔22との離間間隔(図5のW1,W2に相当)も同一となる。また、図5に示すように、孔22のシート面に平行な面における孔径(内径)は、金属シート20の一方の面20a上において最も大きく、他方の面20b上において最も小さくなっている。さらに厳密には、金属シート20のシート面と平行な面における孔22の孔径(内径)は、一方の面20aから他方の面20bに向けて徐々に小さくなっていっている。言い換えると、金属シート20の一方の面20aから他方の面20bに向け、金属シート20のシート面に沿った孔22の断面積はしだいに小さくなっていっている。
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the
次に、このような金属シート20の製造方法の一例について、主に図6乃至図8を用いて説明する。このうち図6は、金属シートの製造方法を説明するための図である。
Next, an example of a method for manufacturing such a
図6に例示された金属シートの製造方法は、金属シート20をなすようになる金属製フィルム(金属製シート)64と、金属製フィルム64上に積層された樹脂製フィルム(樹脂製シート)62とを有する積層体60を供給する工程と、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチングを積層体60の金属製フィルム64に施して、金属製フィルム64に多数の孔22を形成する工程と、エッチング工程の後に、積層体60から樹脂製フィルム62を除去する工程と、を含んでいる。
The metal sheet manufacturing method illustrated in FIG. 6 includes a metal film (metal sheet) 64 that forms the
図6に示す例においては、積層体60を供給コア61に巻き取った積層体の巻体59が準備される。そして、この供給コア61が回転して巻体59が巻き戻されることにより、図6に示すように帯状に延びる積層体60が供給される。ここで、積層体60は、金属製フィルム64が下方に位置するとともに樹脂製フィルム62が上方に位置するようにして、供給される。
In the example illustrated in FIG. 6, a
なお、積層体60の金属製フィルム64は、以下に説明するように孔22を形成されて金属シート20をなすようになる。したがって、上述したように、金属製フィルム64は、例えばステンレス、アルミニウムまたは銅からなる。
In addition, the
一方、樹脂製フィルム62としては、例えば、50μm〜150μm程度の厚さを有するポリエチレンテレフタレートやポリプロピレンからなるシートを用いることができる。本実施の形態においては、UV光を照射されると金属製フィルム64に対する接合力が低下するようになされた樹脂製フィルム62が用いられている。具体的には、樹脂製フィルム62が、ポリエチレンテレフタレートからなる基材フィルム(基材シート)62aと、基材フィルム62a上に積層された層であって金属製フィルム64と対面するUV剥離層62bと、を有するようにすることができる(図6および図7参照)。UV剥離層62bは、UV光を照射されると金属製フィルム64に対する接合力が低下するようになされた樹脂層である。
On the other hand, as the
供給された積層体60はエッチング装置(エッチング手段)70によってエッチング処理を施される。具体的には、まず、積層体60の金属製フィルム64の面上に感光性レジスト材料を塗布し、金属製フィルム64上にレジスト膜を形成する。次に、レジスト膜のうちの除去したい領域のみに、光を透過させるようにした、あるいは、光を透過させないようにしたガラス乾板を準備し、ガラス乾板をレジスト膜上に配置する。その後、レジスト膜をガラス乾板越しに露光し、さらにレジスト膜を現像する。以上のようにして、積層体60の金属製フィルム64上にレジストパターン66(図7参照)が形成される。
The supplied laminated
次に、図7に示すように、金属製フィルム64上に形成されたレジストパターン66をマスクとして、積層体60をエッチング液(例えば塩化第二鉄溶液)68でエッチングする。本実施の形態において、エッチング液68は、搬送されてきた積層体60の下方に位置するように配置されたエッチング装置70のノズル71から、レジストパターン66越しに金属製フィルム64の一方の面64aに向けて噴射される。このとき、図7に点線で示すように、金属製フィルム64のうちのレジストパターン66によって覆われていない領域で、エッチング液による浸食が始まる。その後、浸食は、金属製フィルム64の厚み方向だけでなく、金属製フィルム64のフィルム面(シート面)に沿った方向にも進んでいく。以上のようにして、エッチング液による浸食が金属製フィルム64の一方の面64aから他方の面64bまで進み、金属製フィルム64を貫通する孔22が形成される。
Next, as shown in FIG. 7, the laminate 60 is etched with an etching solution (for example, ferric chloride solution) 68 using the resist
その後、積層体60上のレジストパターン66が除去され、さらに積層体60が水洗いされる。このようにエッチングよって孔22が形成された積層体60は、次に、除去装置(除去手段)74内に搬送される。
Thereafter, the resist
図8に示すように、本実施の形態における除去装置74は、積層体60の搬送経路に沿って配置されたUV光照射手段75を有している。UV光照射手段75は、積層体60の移動経路に沿って設けられ、積層体60を樹脂製フィルム62側から覆うシェード75aと、シェード75a内に配置されたUV光源75bと、を有している。そして、搬送されてきた積層体60は樹脂製フィルム62側からUV光を照射され、樹脂製フィルム62の基材フィルム62aを透過するUV光によって、基材フィルム62aと金属シート20(金属製フィルム64)とを接着するUV剥離層64bの接着力が大幅に弱められる。この結果、積層体60をなす樹脂製フィルム62と金属製フィルム64(金属シート20)とが分離可能となり、図8に示すように、樹脂製フィルム62が、金属製フィルム64から剥がされ、巻取コア58に巻き取られていく。
As shown in FIG. 8, the
このようにして、多数の孔22が形成された金属製フィルム64が得られ、図6に示すように、切断装置(切断手段)79を用いて所定の長さに切断していくことにより、枚葉状の金属シート20が得られる。
In this way, a
ところで、このような製造方法の例とは異なり樹脂製フィルム62が設けられていなかったとすると、金属製フィルム64が貫通されて孔22が形成されると同時に、当該孔22を介して金属製フィルム64の一方の面64a側から他方の面64b側へ向けてエッチング液68が流れ込み始める。このような方法においては、最後にフレッシュなエッチング液68が孔22を内方から浸食してしまうことと、エッチング液が流れ込み始めることによって孔22に大きな圧力がかかってしまうことと、エッチング液が金属製フィルム64の他方の面64b上に滞留してしまうことと、により、エッチング工程の最終段階において、孔22の径が急激に大きくなってしまう。とりわけ、他方の面側において、孔22をなす壁面がだれてしまい、局所的に孔22の孔径が大きくなってしまう。このため、孔22の形状や大きさを所望の形状や大きさに制御することが、非常に困難となる。また、孔22の断面積は、金属製フィルム64の他方の面64b上で最も小さくなるのではなく、金属製フィルム64の一方の面64aと他方の面64bとの中間の厚さ方向位置において最も小さくなる。
By the way, unlike the example of such a manufacturing method, if the
加えて、金属製フィルム64をエッチングする場合、金属製フィルム64は間欠的に移動するようにして搬送される。上述した例とは異なり樹脂製フィルム62が設けられていなかったとすると、間欠的な搬送にともなって発生する間欠的なテンションが金属製フィルム64のみに加えられるようになる。そして、この間欠的なテンションにより、金属製フィルム64が孔22と孔22との間において切断されてしまう虞がある。
In addition, when the
これらのことから、従来のエッチングを用いた金属シートの製造方法(樹脂製フィルム62を用いない製造方法)によれば、小さな孔を高い開孔率で形成することができず、孔の平均孔径は大きくなり、金属シート20の開孔率が小さくなっていた。一方、上述した金属シートの製造方法(樹脂製フィルム62を用いる製造方法)によれば、従来の不具合を解消して、微細な孔22を高い開孔率で金属製フィルム64に形成することができる。
From these facts, according to the conventional metal sheet manufacturing method using etching (a manufacturing method not using the resin film 62), small holes cannot be formed with a high hole area ratio, and the average hole diameter of the holes And the hole area ratio of the
なお、ここでいう開孔率とは、金属シート20の任意領域についての孔22が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、当該任意領域中に存在する各孔22が金属シート20のシート面に沿った面において占める最小面積の和の比を意味する。したがって、図示する例においては、金属シート20の任意領域についての孔が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、金属シート20の他方の面20bにおいて孔22が占める領域の表面面積の比が、当該金属シート20の開孔率となる。また、ここでいう平均孔径とは、金属シート20のシート面に沿った面における孔22の最小孔径の平均値を意味する。したがって、図5に示す金属シート20の開孔率は、図示された金属シート20の任意領域についての孔22が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、金属シート20の他方の面20bにおいて孔22が占める領域の面積の比となる。また、図5に示す金属シート20の平均孔径は、金属シート20の他方の面20bにおける孔22の径の平均値となる。
In addition, with the hole area ratio here, each
ここで、表1乃至3および図9乃至図11に、上述した方法で製造した金属シート20の寸法測定結果および測定された寸法から算出された開孔率を示す。なお、金属製フィルムとして、耐熱SUSを採用した。そして、表1および図9は金属製フィルムの厚みが20μmであった場合の結果を示し、表2および図10は金属製フィルムの厚みが25μmであった場合の結果を示し、表3および図11は金属製フィルムの厚みが30μmであった場合の結果を示している。また、図9中には、樹脂製フィルム62を用いない従来の製造方法で製造可能な金属シートの範囲を斜線で示している。
なお、表1乃至表3中における記号は、図4および図5における記号に対応している。ここで、図4および図5において、Pは孔22の配置ピッチであり、D1は金属シート20の一方の面20aにおける孔22の平均孔径であり、D2は金属シート20の他方の面20bにおける孔22の平均孔径であり、W1は金属シート20の一方の面20aにおける隣り合う二つの孔22の平均離間距離であり、W2は金属シート20の他方の面20bにおける隣り合う二つの孔22の平均離間距離である。
The symbols in Tables 1 to 3 correspond to the symbols in FIGS. 4 and 5. 4 and 5, P is the arrangement pitch of the
これらの結果から、金属シートの厚みが20μm以上30μm以下である場合に、少なくとも、孔の平均孔径が50μm以上60μm以下の範囲内であり、開孔率が40%以上44%以下の範囲内である金属シート20を作製することが可能である、ことが確認された。
From these results, when the thickness of the metal sheet is 20 μm or more and 30 μm or less, at least the average pore diameter is in the range of 50 μm or more and 60 μm or less, and the opening ratio is in the range of 40% or more and 44% or less. It was confirmed that a
次に、多孔質担体15について詳述する。多孔質担体15は、金属シート20とともに集電機能を発揮することができるよう、導電性を有している。図1に示すように、本実施の形態において、多孔質担体15は、金属シート20の孔22内、金属シート20の一方の面20a上、および、金属シート20の他方の面20b上に配置されている。また、多孔質担体15は、多数の担体粒子(担体粉体)16を互いに接合することによって形成されている。なお、ここでいう粒子とは、球状、多角形状、繊維状等の種々の形状を有した微小片を含む概念である。
Next, the
担体粒子16は、例えば、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれいか一つを含むようにしてもよい。担体粒子16の粒径(楕円状粒子であれば長径、繊維状であれば直径)は、比表面積(単位重量あたりの表面積)の値を大きくして電極触媒12を高分散担持することを可能とするため、小さい方が好ましく、例えば数十nmとすることができる。
The
多孔質担体15は、既知の種々の方法により、金属シート20上に形成することができる。例えば、以下のようにして、金属シート20上に金属シート20に保持された多孔質担体15を形成することができる。まず、金属シート20の孔22内に担体粒子16を充填するとともに、さらに、金属シート20の一方の面20a上、および、金属シート20の他方の面20b上にも担体粒子16を配置する。次に、焼成により、担体粒子16を焼結するとともに、金属シート20に対して担体粒子16を固定する。これにより、多数の担体粒子16からなる多孔質担体15が金属シート20上に形成される。
The
なお、上述したように、本実施の形態において、多孔質担体15を支持する金属シート20の孔22の断面積は、金属シート20の一方の面20aから他方の面20bに向け、しだいに小さくなっていく。したがって、金属シート20の孔22内に多孔質担体15を安定して保持することができる。これにより、触媒担持電極10が、優れた耐久性を有するようになる。
As described above, in the present embodiment, the cross-sectional area of the
次に、粒子状(粉状)の電極触媒12について詳述する。電極触媒12は、触媒層での電気化学反応にともなった活性化過電圧を小さくして起電力を高める材料、例えば白金や白金合金が用いられる。ただし、白金および白金合金に限られることなく、活性化過電圧を小さくして起電力を高めることができるその他の材料、例えば、その他の貴金属を電極触媒として用いることができる。
Next, the particulate (powder)
また、電極触媒12は一般的に高価である。そして、この高価な電極触媒12を効果的に利用するためには、粒子状電極触媒12の粒径を小さくして、粒子状電極触媒12の比表面積(単位重量あたりの表面積)の値を大きくすることが有効である。とりわけ、本実施の形態においては、多孔質担体15が互いに接続された多数の担体粒子16を含み、粒子状電極触媒12は担体粒子16上に担持される。すなわち、多孔質担体15の比表面積を非常に大きくすることができ、これにより、多孔質担体15によって、粒子状触媒12をむらなく分散させた状態で担持することができる。したがって、粒子状電極触媒12を大幅に小径化して、電極触媒12を効率的に用いることが可能となる。
The
なお、粒子状電極触媒12を多孔質担体15に担持させる方法としては、種々の既知な方法、例えば含浸法を用いることができる。
In addition, as a method for supporting the
以上のような構成からなる燃料電池セル50は、図3に示すように、重ねられてスタック55aを構成し、スタック55aとして燃料電池55に組み込まれる。スタック55aにおいて、例えば導電性のセパレータ40,41を介し、隣り合う燃料電池セル50の触媒担持電極10,11が直列接続されている。これにより、燃料電池55は高い起電力を有するようになる。また、各燃料電池セル50のセパレータ40,41に形成された貫通孔42は、互いに接続されている。これにより、一列に並べられた貫通孔42を介し、各燃料電池セル50へ水素および酸素を供給することができ、また使用されなかった水素および酸素、並びに、生成された水を回収することができる。
As shown in FIG. 3, the
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。 Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described.
まず、各燃料電池セル50の水素極(一方の触媒担持電極)10側のセパレータ40に形成されたガス流路43の一端に通じる貫通孔42のうちの一つへ、水素ガスを送り込む。水素ガスは、貫通孔42を介して、各燃料電池セル50のガス流路43内に流れ込む。ガス流路43内において、水素ガスの一部は水素極10内へ流れ込み、その他の水素ガスは、未反応ガスとして、貫通孔42を介して燃料電池セル50から排出される。
First, hydrogen gas is fed into one of the through
水素極(一方の触媒担持電極)10へ進んだ水素ガスは、多孔質担体15の空隙内を進み、電解質膜30側へと移動する。上述したように、多孔質担体15は金属シート20によって支持されており、水素極10を横断して電解質膜30側へと移動する際、水素ガスは金属シート20の孔22内を通過する。したがって、本実施の形態によれば、ガス流路43から供給される水素ガスを、金属シート20の孔22内を通過させることによって、十分に拡散させることができる。そして、ガス流路43の構成に起因した水素極10の面内におけるガス供給量のばらつきを打ち消すことができる。とりわけ、上述したように、金属シート20には、微細な孔22が高い開孔率で形成されている。したがって、ガス供給量の面内ばらつきを抑制して、水素極10の略全面に水素ガスを行き渡らせることができる。なお、ガスを十分に拡散させるためには、金属シート20に形成される孔22の平均孔径が60μm以下であることが好ましく、金属シート20の開孔率が40%以上であることが好ましい。
The hydrogen gas that has traveled to the hydrogen electrode (one catalyst-supporting electrode) 10 travels through the voids of the
水素極10内において、多孔質担体15に担持された電極触媒12では、水素分子H2が、電子e-を放出してプロトン化(イオン化)H+する。プロトンH+は、電解質膜30を透過して、酸素極11へ到達する。一方、本実施の形態において、電子e-は、導電性の多孔質担体15および金属シート20を介し、セパレータ41へ回収される。
In the
本実施の形態によれば、上述したように、触媒担持電極10,11が有する優れた拡散性により、水素ガスを金属シート20の略全面に拡散させることができる。また、本実施の形態によれば、微細な電極触媒12が多孔質担体15によって高分散担持されている。したがって、高価な電極触媒12を有効に利用して、水素を反応させることができる。また、とりわけ、本実施の形態によれば、上述したように、水素は金属シート20の孔22内を通過する。そして、金属シート20の孔22内には多孔質担体15が支持されており、この多孔質担体15によって電極触媒12が担持されている。すなわち、高価な電極触媒12がガスの通過領域に配置されているので、高価な電極触媒12を極めて有効に活用することができる。
According to the present embodiment, as described above, hydrogen gas can be diffused over substantially the entire surface of the
また、上述したように、本実施の形態によれば、粒子状触媒12を担持した多孔質担体15が、金属シート20の孔22内だけでなく、両方の面20a,20b上にも配置されている。したがって、触媒担持電極10において、より安定して水素を反応させることができる。
Further, as described above, according to the present embodiment, the
ところで、ガス流路43から電解質膜30へ向けた水素の移動は、触媒担持電極10の両側における圧力差を駆動力としている。そして、金属シート20の一方の面20aがガス流路43(セパレータ41)側に位置し、金属シート20の他方の面20bが電解質膜30側に位置するよう、触媒担持電極10が配置されることが好ましい。上述したように、金属シート20の孔22は、一方の面20a側から他方の面20b側に向け、しだいに先細りするようになっている。したがって、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15が、セパレータ41側から電解質膜30膜側へ向け、ガス圧によって押圧されたとしても、多孔質担体15が金属シート20の孔22から抜け落ちてしまうことがない。このようにして、触媒担持電極10が優れた耐久性を発揮する。
By the way, the movement of hydrogen from the
一方、水素ガスの供給と並行し、酸素ガスが、各燃料電池セル50の酸素極11側のセパレータ41に形成されたガス流路43の一端に通じる貫通孔22のうちの一つへ送り込まれる。酸素ガスは、孔22を介して、各燃料電池セル50のガス流路43内に流れ込む。上述した水素ガスと同様に、酸素ガスの一部は酸素極11内へ流れ込み、その他の酸素ガスは、未反応ガスとして、貫通孔42を介して燃料電池セル50から排出される。
On the other hand, in parallel with the supply of the hydrogen gas, the oxygen gas is sent into one of the through
酸素極11内へ流れ込んだ酸素ガスは、水素ガスと同様に、酸素極11の優れた拡散性により、酸素極11の略全面に行き渡るようになる。また、酸素極11内において、多孔質担体15に担持された電極触媒12では、酸素O2が、電子e-と、電解質膜50を透過してきたプロトンH+と、を取り込み、水H2Oが生成される。このような水の生成にともない、水素極10および酸素極11の間で電子の移動が生じることによって電力が生成される。酸素極11で生成された水は、ガス流路43へ移動し、未反応の酸素ガスとともに貫通孔42を介して燃料電池セル50から排出される。なお、水素極10と同様に酸素極11においても、高価な電極触媒12が極めて有効に活用され、効率的かつ安定して反応が進む。
The oxygen gas that has flowed into the
このようにして各燃料電池セル50において電力が生成される。そして、上述したように、燃料電池15のスタック15aにおいて、複数の燃料電池セル50は互いに直列に接続されている。これにより、燃料電池15は所望の起電力を有するようになる。
In this way, electric power is generated in each
なお、水素極10で放出された電子e-は、水素極10、水素極10に当接するセパレータ40、並びに、セパレータ40および酸素極11に当接するセパレータ41を介して、隣接する燃料電池セル50の酸素極16へと移動する。上述したように、本実施の形態において、触媒担持電極10,11は、カーボン粒子よりも導電性の高い金属シート20を含んでいる。したがって、触媒担持電極10,11の電気抵抗に起因した起電力の損失を低減することができる。
The electrons e − emitted from the
以上のような本実施の形態によれば、金属シート20の孔22内に多孔質担体15が支持されている。したがって、ガス流路43から供給されるガスを、金属シート20の孔22内を通過させることによって、十分に拡散させることができる。これにより、触媒担持電極10,11とセパレータ40,41との間に形成されたガス流路43の構成に起因した触媒担持電極10,11の面内におけるガス供給量のばらつきを大幅に打ち消すことができる。
According to the present embodiment as described above, the
また、金属シート20の孔22内には、電極触媒12を担持した多孔質担体15が配置されている。すなわち、高価な電極触媒12がガスの移動経路に配置されているので、高価な電極触媒12を有効に活用することができる。さらに、粒子状の電極触媒12が多孔質担体15に担持されていることから、粒子状電極触媒12の粒径を小さくして粒子状電極触媒12の比表面積を大きくすることができ、これによって、高価な電極触媒12をさらに有効利用することができる。すなわち、同じ体積の電極触媒12用いる場合に、電極触媒12の表面積を大きくすることができ、コスト面においても非常に有用である。
A
さらに、触媒担持電極10,11が優れた拡散機能を有しているので、従来用いられていた別途のガス拡散層を省くことも可能となる。したがって、酸素極10および水素極11のそれぞれからガス拡散層を省き、燃料電池セル50を積み重ねることによって構成される燃料電池55(スタック55a)の小型化を図ることが可能となる。また、ガス拡散層を省くことは、燃料電池セル50(燃料電池55、燃料電池スタック55a)のコスト面においても極めて有用である。
Furthermore, since the catalyst-carrying
さらに、高い剛性および優れた導電性を有する金属シート20によって、電極触媒12を担持した多孔質担体15が支持されている。したがって、触媒担持電極10,11が優れた耐久性を有し、破損し辛くなっている。
Further, the
なお、上述した実施の形態に関し、本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。 Various modifications can be made to the above-described embodiment within the scope of the present invention.
例えば、上述した実施の形態において、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15が、金属シート20の孔22内だけでなく、金属シート20の一方の面20a上および金属シート20の他方の面20a上にも配置されている例を示したが、これに限られない。例えば、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15を金属シート20の孔22内だけに配置するようにしてもよい。あるいは、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15を、金属シート20の孔22内と、金属シート20の一方の面20aおよび金属シート20の他方の面20bのうちのいずれか一方上と、に配置するようにしてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
また、上述した実施の形態において、触媒担持電極10,11がセパレータ40,41に当接する例を示したが、これに限られない。触媒担持電極10,11とセパレータ40,41との間に、例えばカーボン繊維からなる多孔質構造を有したガス拡散層が設けるようにしても良い。
In the above-described embodiment, the example in which the catalyst-carrying
10,11 触媒担持電極
12 電極触媒(粒子状電極触媒)
15 多孔質担体
16 担体粒子
20 金属シート
20a 一方の面
20b 他方の面
22 孔
50 燃料電池セル
10, 11 Catalyst supported
15
Claims (8)
前記金属シートに支持された多孔質担体であって、少なくとも前記孔内に配置された多孔質担体と、
前記多孔質担体に担持された粒子状の電極触媒と、を備える
ことを特徴とする触媒担持電極。 A metal sheet formed with a large number of holes;
A porous carrier supported by the metal sheet, the porous carrier disposed at least in the pores;
A catalyst-supporting electrode comprising: a particulate electrode catalyst supported on the porous carrier.
ことを特徴とする請求項1に記載の触媒担持電極。 2. The catalyst-carrying electrode according to claim 1, wherein the cross-sectional area of the holes along the sheet surface of the metal sheet gradually decreases from one surface of the metal sheet to the other surface.
前記金属シートの孔の平均孔径は60μm以下である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の触媒担持電極。 The porosity of the metal sheet is 40% or more,
3. The catalyst-carrying electrode according to claim 1, wherein an average hole diameter of the holes of the metal sheet is 60 μm or less.
前記粒子状電極触媒は前記担体粒子に担持されている
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の触媒担持電極。 The porous carrier includes a plurality of carrier particles joined together,
The catalyst-carrying electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the particulate electrode catalyst is carried on the carrier particles.
ことを特徴とする請求項4に記載の触媒担持電極。 The catalyst-supporting electrode according to claim 4, wherein the carrier particles include at least one of carbon particles, carbon fibers, carbon nanohorns, and carbon nanotubes.
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の触媒担持電極。 The catalyst-carrying electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous carrier is also disposed on at least one surface of the metal sheet.
ことを特徴とする燃料電池セル。 A fuel cell comprising the catalyst-carrying electrode according to any one of claims 1 to 7.
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