JP2009205917A - 膜電極接合体および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池10は、平板状の膜電極接合体50を備え、この膜電極接合体50の両側にはセパレータ34およびセパレータ36が設けられている。膜電極接合体50は、固体高分子電解質膜20、アノード22、およびカソード24を有する。アノード22は、第1の触媒層26、第2の触媒層27、およびガス拡散層28からなる積層体を有する。第1の触媒層26は、第1のイオン伝導体(イオン交換樹脂)と、白金パラジウムを担持した炭素粒子とから構成される。一方、第2の触媒層27は、第2のイオン伝導体と、貴金属とルテニウムよりイオン化傾向が高い金属とからなる第2の合金触媒を担持した炭素粒子とから構成される。
【選択図】図1
Description
空気極:1/2O2+2H++2e−→H2O ・・・(2)
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
図1は、実施の形態1に係る燃料電池10の構造を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA−A線上の断面図である。燃料電池10は、平板状の膜電極接合体50を備え、この膜電極接合体50の両側にはセパレータ34およびセパレータ36が設けられている。この例では一つの膜電極接合体50のみを示すが、セパレータ34やセパレータ36を介して複数の膜電極接合体50を積層して燃料電池スタックが構成されてもよい。膜電極接合体50は、固体高分子電解質膜20、アノード22、およびカソード24を有する。
Co2+ + 2e− ← Co
(ルテニウムの標準電極電位E0=0.455V、コバルトの標準電極電位E0=−0.28V)
ここで、本実施の形態の膜電極接合体の作製方法について説明する。
カソード触媒として、白金担持カーボン(TEC10E50E,田中貴金属工業株式会社)を用い、イオン伝導体として、SS700C溶液(20%,Ew=780,含水率=36wt%(25℃),旭化成ケミカルズ製アイオノマー溶液Aciplex(登録商標) SS700C、以下SS700と略す)を用いた。白金担持カーボン5gに対し、10mLの超純水を添加し撹拌した後に、15mLエタノールを添加した。この触媒分散溶液について、超音波スターラーを用いて1時間超音波撹拌分散を行った。所定のSS700溶液を等量の超純水で希釈を行い、ガラス棒で3分間撹拌した。この後、超音波洗浄器を用いて1時間超音波分散を行い、SS700水溶液を得た。その後、SS700水溶液をゆっくりと触媒分散液中に滴下した。滴下中は、超音波スターラーを用いて連続的に撹拌を行った。SS700水溶液滴下終了後、1-プロパノールと1-ブタノールの混合溶液10g(重量比1:1)の滴下を行い、得られた溶液を触媒スラリーとした。混合中は、すべて水温が約60℃になるように調整し、エタノールを蒸発、除去した。
上記の方法で作製した触媒スラリーをスクリーン印刷(150メッシュ)によって、バルカンXC72によって作製した微細孔層付きのガス拡散層に塗布し、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行った。
アノード第1の触媒層用の触媒スラリーの作製方法は、触媒として白金ルテニウム担持カーボン(TEC61E54、田中貴金属工業株式会社)を使用する点を除き、カソード触媒スラリーの作製方法と同様である。イオン伝導体として、SS700を用いた。
アノード第2の触媒層用の触媒スラリーの作製方法は、触媒として白金コバルト担持カーボン(TEC36F52、田中貴金属工業株式会社)を使用する点を除き、カソード触媒スラリーの作製方法と同様である。イオン伝導体として、SS1100C溶液(20%,Ew=1050,含水率=20wt%(25℃),旭化成ケミカルズ製アイオノマー溶液Aciplex SS1100C、以下SS1100と略す)を用いた。
上記の方法で作製したアノード第1の触媒層用の触媒スラリーおよびアノード第2の触媒層用の触媒スラリーを順にスクリーン印刷(150メッシュ)によって、バルカンXC72によって作製した微細孔層付きのガス拡散層に塗布し、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行った。
上記の方法で作製したアノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を狭持した状態でホットプレスを行う。固体高分子電解質膜としてAciplex(登録商標)(SF7201x、旭化成ケミカルズ製)を用いた。170℃、200秒の接合条件でアノード、固体高分子電解質膜、およびカソードをホットプレスすることによって膜電極接合体を作製した。
図3は、実施の形態2に係る燃料電池10の構造を示す断面図である。本実施の形態の燃料電池10では、1層の触媒層29がガス拡散層28と固体高分子電解質膜20との間に設けられている。
Claims (6)
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、
を備え、
前記アノードは、
イオン伝導体と、
貴金属とルテニウムとからなる第1の合金触媒と、
貴金属とルテニウムよりイオン化傾向が高い金属とからなる第2の合金触媒と、
を含むことを特徴とする膜電極接合体。 - 前記電解質膜の側において前記第2の合金触媒が前記第1の合金触媒に比べて偏在していることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。
- 前記アノードは、第1の触媒層と、前記第1の触媒層と前記電解質膜との間に介在する第2の触媒層とを有し、
前記第1の触媒層は、第1のイオン伝導体と前記第1の合金触媒とを含み、
前記第2の触媒層は、第2のイオン伝導体と前記第2の合金触媒とを含むことを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。 - 前記第2のイオン伝導体の含水率が前記第1のイオン伝導体の含水率に比べて低いことを特徴とする請求項3に記載の膜電極接合体。
- 前記第2の触媒層に含まれるイオン伝導体の含水率が前記電解質膜の含水率に比べて低いことを特徴とする請求項3に記載の膜電極接合体。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の膜電極接合体を有する燃料電池。
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