JP2009211953A - Electrode base, electrode, membrane electrode assembly, fuel cell, and manufacturing method of electrode base material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の電極に用いられる電極基材に関する。 The present invention relates to an electrode substrate used for an electrode of a fuel cell.
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。 In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known.
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極(アノード)と空気極(カソード)との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。 A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode), and a fuel gas containing hydrogen in the fuel electrode, air It is an apparatus that supplies an oxidant gas containing oxygen to the electrode and generates power by the following electrochemical reaction.
燃料極:H2→2H++2e−・・・・(1)
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、触媒また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。
The fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e - ···· (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ···· (2)
The anode and cathode each have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated. The catalyst layers of the electrodes are arranged opposite to each other with the solid polymer film interposed therebetween, thereby constituting a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding a catalyst or carbon particles supporting the catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer becomes a passage for the oxidant gas and the fuel gas.
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。 At the anode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the cathode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2).
アノードやカソードにおいて用いられる一般的な電極基材として、カーボン織布やカーボンペーパにPTFEによる撥水処理を施したもの等が挙げられる。しかしながら、このような電極基材では、酸化剤ガスや燃料ガスの拡散パスやカソードで生成される生成水の排出パスは全く考慮されていない。そのため、このような電極基材を用いた燃料電池の運転条件の許容範囲は狭くなりがちであり、また、出力や加湿温度の変動に対するロバスト性が低いため、フラッディングや電解質膜の乾燥などの問題が発生する場合がある。 As a general electrode base material used in an anode or a cathode, a carbon woven fabric or carbon paper subjected to a water repellent treatment with PTFE can be used. However, in such an electrode base material, the diffusion path of oxidant gas and fuel gas and the discharge path of generated water generated at the cathode are not considered at all. Therefore, the allowable range of operating conditions of fuel cells using such electrode base materials tends to be narrow, and the robustness against fluctuations in output and humidification temperature is low, so problems such as flooding and drying of the electrolyte membrane May occur.
そこで、金属繊維と有機繊維との混毛織布または混毛不織布を用い、金属繊維と有機繊維とで親水性が異なるガス拡散電極が考案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載のガス拡散電極であっても出力や加湿温度の変動に対するロバスト性はいまだ十分であるとは言えず、更なる改良が求められている。
However, even with the gas diffusion electrode described in
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安定した出力を可能とする燃料電池の電極基材を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an electrode base material for a fuel cell that enables stable output.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電極基材は、燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材であって、金属繊維またはカーボン繊維からなる第1の繊維と、第1の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第2の繊維と、を有する。 In order to solve the above problems, an electrode substrate according to an aspect of the present invention is an electrode substrate that constitutes a part of an electrode provided on the surface of an electrolyte membrane for a fuel cell, and is made of metal fiber or carbon fiber. And a second fiber made of metal fiber or carbon fiber having higher water repellency than the first fiber.
この態様によると、燃料電池の電極に用いることで、発電中の反応により生成水が生じた場合に、第2の繊維より撥水性が低い第1の繊維の周囲に生成水が集まりやすくなるとともに、第2の繊維の周囲には生成水が留まりにくくなるため、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞することが抑制される。そのため、生成水が多くなる高出力時においてもガスが通過する領域が確保され、フラッディングによる出力の低下が抑制される。また、生成水が少なくなる低出力時においては第1の繊維の周囲に留まっている生成水により電解質膜の乾燥が抑制される。その結果、広い出力範囲において安定した燃料電池を実現することができる。また、同様に、高加湿時のフラッディングによる出力低下が抑制されるとともに、低加湿時の膜乾燥が抑制されるため、広い範囲の加湿温度に対して安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。 According to this aspect, when generated water is generated by a reaction during power generation, the generated water is easily collected around the first fiber having a lower water repellency than the second fiber. Since the generated water is less likely to stay around the second fiber, the passage of the gas discharged or consumed during power generation is prevented from being blocked. For this reason, a region through which gas passes is ensured even at high output when the amount of generated water increases, and a decrease in output due to flooding is suppressed. In addition, at the time of low output when the generated water is low, drying of the electrolyte membrane is suppressed by the generated water remaining around the first fiber. As a result, a stable fuel cell can be realized in a wide output range. In the same way, output reduction due to flooding during high humidification is suppressed, and membrane drying during low humidification is suppressed, realizing a fuel cell that enables stable output over a wide range of humidification temperatures. can do.
第1の繊維および第2の繊維は共にカーボン繊維であり、第2の繊維の黒鉛化度は、第1の繊維の黒鉛化度より高い。これにより、フッ素樹脂等の撥水材による撥水処理を行わなくても第1の繊維と第2の繊維との間で撥水性に差を設けることが可能となり、電極基材の抵抗を減少させることが可能となる。また、第1の繊維および第2の繊維が共にカーボン繊維であることで、有機樹脂を混入させる場合と比較して電気抵抗を小さくすることが容易となる。 Both the first fiber and the second fiber are carbon fibers, and the degree of graphitization of the second fiber is higher than the degree of graphitization of the first fiber. This makes it possible to provide a difference in water repellency between the first fiber and the second fiber without performing a water repellent treatment with a water repellent material such as a fluororesin, thereby reducing the resistance of the electrode substrate. It becomes possible to make it. Further, since both the first fiber and the second fiber are carbon fibers, it is easy to reduce the electric resistance as compared with the case where the organic resin is mixed.
金属繊維は、ステンレススチール、周期表4A族元素、周期表5A族元素、周期表6A族元素、周期表8族元素、周期表1B族元素の少なくともいずれかを含んでいてもよい。 The metal fiber may contain at least one of stainless steel, periodic table 4A group element, periodic table 5A group element, periodic table 6A group element, periodic table 8 group element, and periodic table 1B group element.
第1の繊維が偏在する領域と第2の繊維が偏在する領域とを有してもよい。これにより、第1の繊維が偏在する領域は水保持領域として機能し、第2の繊維が偏在する領域はガス拡散領域として機能することができる。 You may have the area | region where the 1st fiber is unevenly distributed, and the area | region where the 2nd fiber is unevenly distributed. Thereby, the area | region where the 1st fiber is unevenly distributed functions as a water retention area | region, and the area | region where the 2nd fiber is unevenly distributed can function as a gas diffusion area | region.
本発明の別の態様もまた、電極基材である。この電極基材は、燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材であって、金属繊維またはカーボン繊維からなる第1の繊維と、第1の繊維より撥水性が高い樹脂繊維からなる第2の繊維と、を有する。第1の繊維が偏在する領域と第2の繊維が偏在する領域とを有する。 Another embodiment of the present invention is also an electrode substrate. This electrode base material is an electrode base material that constitutes a part of an electrode provided on the surface of an electrolyte membrane for a fuel cell. The electrode base material has a first fiber made of metal fiber or carbon fiber, and is more repellent than the first fiber. Second fibers made of resin fibers having a high aqueous property. It has a region where the first fibers are unevenly distributed and a region where the second fibers are unevenly distributed.
この態様によると、燃料電池の電極に用いることで、発電中の反応により生成水が生じた場合に、第2の繊維より撥水性が低い第1の繊維の周囲に生成水が集まりやすくなるとともに、第2の繊維の周囲には生成水が留まりにくくなるため、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞することが抑制される。そのため、生成水が多くなる高出力時においてもガスが通過する領域が確保され、フラッディングによる出力の低下が抑制される。また、生成水が少なくなる低出力時においては第1の繊維の周囲に留まっている生成水により電解質膜の乾燥が抑制される。その結果、安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。 According to this aspect, when generated water is generated by a reaction during power generation, the generated water is easily collected around the first fiber having a lower water repellency than the second fiber. Since the generated water is less likely to stay around the second fiber, the passage of the gas discharged or consumed during power generation is prevented from being blocked. For this reason, a region through which gas passes is ensured even at high output when the amount of generated water increases, and a decrease in output due to flooding is suppressed. In addition, at the time of low output when the generated water is low, drying of the electrolyte membrane is suppressed by the generated water remaining around the first fiber. As a result, a fuel cell capable of stable output can be realized.
第1の繊維が偏在する領域内に、第1の繊維で周囲が囲まれた空間が形成されてもよい。第2の繊維が偏在する領域内に、第2の繊維で周囲が囲まれた空間が形成されてもよい。これにより、第1の繊維で周囲が囲まれた空間を生成水の排出部や貯留部として機能させ、第2の繊維で周囲が囲まれた空間を発電において発生するガスや消費されるガスの通過部として機能させることができる。 A space surrounded by the first fibers may be formed in a region where the first fibers are unevenly distributed. A space surrounded by the second fibers may be formed in a region where the second fibers are unevenly distributed. As a result, the space surrounded by the first fiber functions as a discharge part and a storage part of the generated water, and the space surrounded by the second fiber is generated in the power generation or consumed gas. It can function as a passing part.
第1の繊維と第2の繊維とが織られずに結合されていてもよい。第1の繊維と第2の繊維とが織られた織布であってもよい。 The first fiber and the second fiber may be bonded without being woven. A woven fabric in which the first fibers and the second fibers are woven may be used.
第1の繊維および第2の繊維が所定の方向に揃った状態で複数本ずつ交互に並列されているとともに、第1の繊維および第2の繊維が所定の方向と交差する方向に揃った状態で複数本ずつ交互に並列されている領域を有していてもよい。これにより、第1の繊維で周囲が囲まれた空間と第2の繊維で周囲が囲まれた空間を所望の場所に簡易に形成することができる。 A state in which a plurality of first fibers and second fibers are alternately arranged in parallel in a state aligned in a predetermined direction, and the first fibers and second fibers are aligned in a direction intersecting the predetermined direction The plurality of regions may be alternately arranged in parallel. Thereby, the space surrounded by the first fiber and the space surrounded by the second fiber can be easily formed at a desired location.
本発明のさらに別の態様は、電極である。この電極は、上述の電極基材と、触媒層と、を備える。 Yet another embodiment of the present invention is an electrode. This electrode includes the above-described electrode base material and a catalyst layer.
本発明のさらに別の態様は、膜電極接合体である。この膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の表面に設けられた上述の電極と、を備える。 Yet another embodiment of the present invention is a membrane electrode assembly. This membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane and the above-described electrode provided on the surface of the electrolyte membrane.
本発明のさらに別の態様は、燃料電池である。この燃料電池は、上述の膜電極接合体が組み込まれたものである。 Yet another embodiment of the present invention is a fuel cell. This fuel cell incorporates the membrane electrode assembly described above.
本発明のさらに別の態様は、電極基材の製造方法である。この方法は、燃料電池用の電解質膜の表面に設けられる電極の一部を構成する電極基材の製造方法であって、金属繊維またはカーボン繊維からなる第1の繊維と、第1の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第2の繊維と、を準備する準備工程と、第1の繊維が偏在する領域と第2の繊維が偏在する領域が形成されるように、第1の繊維と第2の繊維とが複数本ずつ交互に配列されるように結合する結合工程と、を含む。 Yet another embodiment of the present invention is a method for producing an electrode substrate. This method is a method of manufacturing an electrode base material that constitutes a part of an electrode provided on the surface of an electrolyte membrane for a fuel cell, and includes a first fiber made of metal fiber or carbon fiber, and a first fiber. A first step of preparing a second fiber made of a metal fiber or carbon fiber having high water repellency, and a region where the first fiber is unevenly distributed and a region where the second fiber is unevenly distributed are formed. A bonding step of bonding the plurality of fibers and the second fibers so that a plurality of the fibers and the second fibers are alternately arranged.
この態様によると、第1の繊維で周囲が囲まれた領域と第2の繊維で周囲が囲まれた領域を所望の場所に簡易に形成することができる。 According to this aspect, the region surrounded by the first fibers and the region surrounded by the second fibers can be easily formed at a desired location.
本発明によれば、安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。 According to the present invention, a fuel cell capable of stable output can be realized.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Moreover, the structure described below is an illustration and does not limit the scope of the present invention at all.
(燃料電池)
図1は、第1の実施の形態に係る燃料電池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10が構成されてもよい。
(Fuel cell)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the
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、触媒層26およびガス拡散層28からなる積層体を有する。一方、カソード24は、触媒層30およびガス拡散層32からなる積層体を有する。アノード22の触媒層26とカソード24の触媒層30は、固体高分子電解質膜20を挟んで対向するように設けられている。
The
アノード22側に設けられるセパレータ34にはガス流路38が設けられている。燃料供給用のマニホールド(図示せず)から燃料ガスがガス流路38に分配され、ガス流路38を通じて膜電極接合体50に燃料ガスが供給される。同様に、カソード24側に設けられるセパレータ36にはガス流路40が設けられている。
A
酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から酸化剤ガスがガス流路40に分配され、ガス流路40を通じて膜電極接合体50に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池10の運転時、燃料ガス、例えば水素ガスがガス流路38内をガス拡散層28の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、アノード22に燃料ガスが供給される。
The oxidant gas is distributed to the
一方、燃料電池10の運転時、酸化剤ガス、例えば、空気がガス流路40内をガス拡散層32の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、カソード24に酸化剤ガスが供給される。これにより、膜電極接合体50内で反応が生じる。ガス拡散層28を介して触媒層26に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜20中をカソード24側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード24に流れ込む。一方、ガス拡散層32を介して触媒層30に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード22からカソード24に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
On the other hand, during operation of the
固体高分子電解質膜20は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード22およびカソード24の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜20は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
The solid
アノード22を構成する触媒層26は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒として、例えば白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの金属、またはこれらの金属の合金が挙げられる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。
The
アノード22を構成するガス拡散層28は、アノードガス拡散基材、およびアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えば金属繊維、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
The
アノードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、例えば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの(状態)にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。 The microporous layer applied to the anode gas diffusion base material is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. As the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) can be used. The water repellent agent preferably has binding properties. Here, the binding property refers to a property that can be made sticky (state) by joining things that are less sticky or those that tend to break apart. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.
カソード24を構成するガス拡散層32は、カソードガス拡散基材、およびカソードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えば金属繊維、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
The
カソードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、例えば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。 The microporous layer applied to the cathode gas diffusion substrate is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. Further, as the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin can be used. The water repellent agent preferably has binding properties. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.
カソード24を構成する触媒層30は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒として、例えば白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウムなどの金属、またはこれらの金属の合金が挙げられる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。
The
(電極基材)
次に、電極基材であるアノードガス拡散基材やカソードガス拡散基材の構成について説明する。本実施の形態に係る電極基材は、撥水性の異なる2種類の繊維を交差させることで、ガスや水が通過しやすい空間が繊維で囲まれた状態で形成されている。
(Electrode substrate)
Next, the structure of the anode gas diffusion base material and cathode gas diffusion base material which are electrode base materials is demonstrated. The electrode base material according to the present embodiment is formed in a state where a space through which gas or water easily passes is surrounded by fibers by intersecting two types of fibers having different water repellency.
図3は、実施の形態に係る電極基材の要部の上面図である。以下では、カソード24を構成するガス拡散層32に用いられているカソードガス拡散基材(以下、「電極基材」という)を例に説明する。なお、アノードガス拡散基材についてもほぼ同様な構成を採用することができるため、主にカソードガス拡散基材と異なる点について説明し、その他は適宜省略する。
FIG. 3 is a top view of the main part of the electrode substrate according to the embodiment. Hereinafter, a cathode gas diffusion base material (hereinafter referred to as “electrode base material”) used for the
図3に示すように、電極基材100は、相対的に撥水性の低い低撥水性繊維102と、相対的に撥水性の高い高撥水性繊維104と、を有する。このような電極基材100を燃料電池の電極に用いることで、発電中の反応により生成水が生じた場合に、高撥水性繊維104より撥水性が低い低撥水性繊維102の周囲に生成水が集まりやすくなるとともに、高撥水性繊維104の周囲には生成水が留まりにくくなるため、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞することが抑制される。そのため、生成水が多くなる高出力時においてもガスが通過する領域が確保され、フラッディングによる出力の低下が抑制される。また、生成水が少なくなる低出力時においては低撥水性繊維102の周囲に留まっている生成水により電解質膜の乾燥が抑制される。その結果、安定した出力を可能とする燃料電池を実現することができる。
As shown in FIG. 3, the
電極基材100のうち図3に示す領域においては、低撥水性繊維102および高撥水性繊維104が横方向に揃った状態で2本ずつ交互に並列されているとともに、低撥水性繊維102および高撥水性繊維104が縦方向に揃った状態で2本ずつ交互に並列されている。
In the region shown in FIG. 3 of the
これにより、低撥水性繊維102が偏在する領域R1と高撥水性繊維104が偏在する領域R2とが形成される。
Thereby, a region R1 where the low water-
また、低撥水性繊維102が偏在する領域R1内には、低撥水性繊維102で周囲が囲まれた空間S1が形成され、高撥水性繊維104が偏在する領域R2内に、高撥水性繊維104で周囲が囲まれた空間S2が形成される。これにより、低撥水性繊維102で周囲が囲まれた空間S1を生成水の排出部や貯留部として機能させ、高撥水性繊維104で周囲が囲まれた空間S2を発電において発生するガスや消費されるガスの通過部として機能させることができる。
In addition, in the region R1 where the low water-
また、低撥水性繊維102と高撥水性繊維104とを複数本並列させる領域を適宜調整することで、低撥水性繊維102で周囲が囲まれた空間S1と高撥水性繊維104で周囲が囲まれた空間S2を所望の割合で電極基材100の所望の場所に簡易に形成することができる。
In addition, by appropriately adjusting a region in which a plurality of low water-
なお、電極基材全体に占める高撥水性繊維104の割合は、5〜95%の範囲がよい。高撥水性繊維104の割合がこの範囲より高いと、生成水が排出されにくくなり、フラディングによる出力の低下が発生しやすくなる。また、高撥水性繊維104の割合がこの範囲より低いと、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞されやすくなる。電極基材全体に占める高撥水性繊維104の割合は、好ましくは15〜85%、より好ましくは30〜70%の範囲であるとよい。
In addition, the ratio of the highly water-
また、生成水の排出部や貯留部として機能する空間S1の総面積とガスの通過部として機能する空間S2の総面積との和に対する、空間S2の総面積の割合は、20〜95%の範囲がよい。空間S2の総面積の割合がこの範囲より高いと、生成水が排出されにくくなり、フラディングによる出力の低下が発生しやすくなる。また、空間S2の総面積の割合がこの範囲より低いと、発電中に排出または消費されるガスの流路が閉塞されやすくなる。空間S2の総面積の割合は、好ましくは30〜90%、より好ましくは40〜85%の範囲であるとよい。 In addition, the ratio of the total area of the space S2 to the sum of the total area of the space S1 functioning as the generated water discharge part and the storage part and the total area of the space S2 functioning as the gas passage part is 20 to 95%. The range is good. When the ratio of the total area of the space S2 is higher than this range, the generated water is difficult to be discharged, and the output is likely to decrease due to flooding. Further, if the ratio of the total area of the space S2 is lower than this range, the flow path of gas discharged or consumed during power generation is likely to be blocked. The ratio of the total area of the space S2 is preferably 30 to 90%, more preferably 40 to 85%.
以下に低撥水性繊維102と高撥水性繊維104の具体的な組合せを例示し、あわせて電極基材の製造方法についても説明する。
Hereinafter, a specific combination of the low water-
[実施例1]
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維102として黒鉛化度の低いカーボン繊維を、高撥水性繊維104として黒鉛化度の高いグラファイトカーボン繊維が用いられており、図3に示すように縦方向、横方向共に低撥水性繊維102と高撥水性繊維104とが複数本ずつ交互に並列された状態になるように織られている。これにより、フッ素樹脂等の撥水材による撥水処理を行わなくても低撥水性繊維102と高撥水性繊維104との間で撥水性に差を設けることが可能となり、電極基材の抵抗を減少させることが可能となる。また、低撥水性繊維102および高撥水性繊維104が共にカーボン繊維であることで、有機樹脂を混入させる場合と比較して電気抵抗を小さくすることが容易となる。各繊維の直径は、0.1μm〜10μm程度のものが好ましい。また、各繊維は複数の繊維を合わせて一つの束にしたものであってもよい。
[Example 1]
In the electrode substrate according to this example, carbon fiber having a low graphitization degree is used as the low water-
このようにして作製された電極基材に、微細孔層として前述の導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物を塗布した後、乾燥・熱処理を行う。次に、微細孔層が形成された電極基材上に触媒スラリーを塗布する。以下に触媒スラリーの作製および塗布方法、ならびに、電極および膜電極接合体の作製方法を説明する。 A paste-like kneaded material obtained by kneading the above-described conductive powder and water repellent as a microporous layer is applied to the electrode substrate thus prepared, and then dried and heat-treated. Next, a catalyst slurry is applied on the electrode substrate on which the microporous layer is formed. Hereinafter, a method for producing and applying a catalyst slurry, and a method for producing an electrode and a membrane electrode assembly will be described.
<カソード触媒スラリー作製>
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、イオン交換樹脂として、ナフィオン(登録商標)DE2020CS溶液(20%,Ew=1050,デュポン社製)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。所定のナフィオン溶液を、等量の超純水で希釈を行いガラス棒で3分間撹拌した後、超音波洗浄器を用いて1時間超音波分散を行い、ナフィオン水溶液を得た。その後、ナフィオン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。ナフィオン溶液滴下終了後、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。
<Cathode catalyst slurry preparation>
Platinum-supported carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was used as the cathode catalyst, and Nafion (registered trademark) DE2020CS solution (20%, Ew = 1050, manufactured by DuPont) was used as the ion exchange resin. 10 mL of ultrapure water was added to 5 g of platinum-supporting carbon and stirred, and then 15 mL of ethanol was added. The catalyst dispersion solution was subjected to ultrasonic stirring and dispersion for 1 hour using an ultrasonic stirrer. A predetermined Nafion solution was diluted with an equal amount of ultrapure water, stirred with a glass rod for 3 minutes, and then subjected to ultrasonic dispersion for 1 hour using an ultrasonic cleaner to obtain an aqueous Nafion solution. Thereafter, an aqueous Nafion solution was slowly dropped into the catalyst dispersion. During the dropping, stirring was continuously performed using an ultrasonic stirrer. After completion of the Nafion solution dropping, 10 g (1: 1 by weight) of a mixed solution of 1-propanol and 1-butanol was dropped, and the resulting solution was used as a catalyst slurry. During mixing, the water temperature was all adjusted to about 60 ° C., and ethanol was evaporated and removed.
<カソード作製>
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、微細孔層の上に塗布し、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行って触媒層を形成した。
<Cathode fabrication>
The catalyst slurry produced by the above method was applied onto the fine pore layer by screen printing (150 mesh), dried at 80 ° C. for 3 hours and heat treated at 180 ° C. for 45 minutes to form a catalyst layer.
<アノード触媒スラリー作製>
アノード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)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。
<Anode catalyst slurry preparation>
The anode catalyst slurry preparation method is the same as the cathode catalyst slurry preparation method except that platinum ruthenium-supported carbon (TEC61E54) is used as the catalyst.
<アノード作製>
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130℃、45分の熱処理を行って触媒層を形成した。
<Anode fabrication>
The catalyst slurry prepared by the above method is applied to a gas diffusion layer with a pore layer prepared by Vulcan XC72 by screen printing (150 mesh), dried at 80 ° C. for 3 hours, and heat treated at 130 ° C. for 45 minutes. And a catalyst layer was formed.
<膜電極接合体の作製>
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、旭化成ケミカルズ性)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。なお、固体高分子電解質膜の厚さは、50μm、カソード触媒層の厚さは20μm、アノード触媒層の厚さは20μmとした。また、この膜電極接合体を組み込んで燃料電池が作製される。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Hot pressing is performed with the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode and cathode produced by the above method. Aciplex (registered trademark) (SF7201x, Asahi Kasei Chemicals) was used as the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly was produced by hot pressing the anode, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode under the bonding conditions of 170 ° C. and 200 seconds. The solid polymer electrolyte membrane had a thickness of 50 μm, the cathode catalyst layer had a thickness of 20 μm, and the anode catalyst layer had a thickness of 20 μm. Further, a fuel cell is fabricated by incorporating this membrane electrode assembly.
[実施例2]
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維102として表面が親水化処理されたステンレススチール繊維を、高撥水性繊維104として表面が親水化処理されていないステンレススチール繊維が用いられている。親水化処理としては、例えば、繊維の表面をプラズマ処理、レーザ処理、コロナ処理する方法や、繊維に無機ナノ微粒子を混入させる方法が適用可能である。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例1と同様である。
[Example 2]
In the electrode base material according to the present embodiment, a stainless steel fiber whose surface is hydrophilized as the low
[実施例3]
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維102と高撥水性繊維104の一方にカーボン繊維を、他方に金属繊維が用いられている。金属繊維の親水化処理としては、例えば、繊維の表面をプラズマ処理、レーザ処理、コロナ処理する方法や、繊維に無機ナノ微粒子を混入させる方法が適用可能である。また、金属繊維の撥水化処理としては、例えば、繊維の表面をフッ素処理やシランカップリング剤、イオンビームにより改質する方法や、繊維にフッ素系微粒子を混入させる方法が適用可能である。一方、カーボン繊維の親水化処理としては、前述の金属繊維の親水化処理に加えて、黒鉛化度を下げる方法が適用可能である。また、カーボン繊維の撥水化処理としては、前述の金属繊維の撥水化処理に加えて、黒鉛化度を上げる方法が適用可能である。このような各処理を適宜選択することで、低撥水性繊維102と高撥水性繊維104の一方にカーボン繊維を、他方に金属繊維を用いることができる。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例1と同様である。
[Example 3]
In the electrode base material according to this example, one of the low water-
[実施例4]
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維102としてカーボン繊維を、高撥水性繊維104としてPTFE繊維が用いられている。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例1と同様である。
[Example 4]
In the electrode base material according to this example, carbon fibers are used as the low water-
[実施例5]
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維102としてステンレススチール繊維を、高撥水性繊維104としてPTFE繊維が用いられている。なお、この電極基材を用いた電極や膜電極接合体、燃料電池の作製方法は実施例1と同様である。
[Example 5]
The electrode base material according to the present embodiment uses stainless steel fibers as the low water-
[実施例6]
本実施例に係る電極基材は、低撥水性繊維102としてカーボン繊維を、高撥水性繊維104としてPTFE繊維が用いられているが、電極基材の作製の方法が実施例1と異なる。図4は、実施例6における電極基材の作成方法を模式的に示した図である。
[Example 6]
In the electrode base material according to this example, carbon fiber is used as the low water-
本実施例では、はじめに、カーボン繊維からなる低撥水性繊維102をメッシュ状に織った織布110と、PTFE繊維からなる高撥水性繊維104をメッシュ状に織った織布120とを別々に作製する。そして、織布110と織布120とが張り合わされて電極基材200が作製される。張り合わせは、例えば、それぞれの繊維が交差する箇所を接着剤により結合してもよいし、繊維の表層を溶融することで互いを結合してもよい。この際、低撥水性繊維102と高撥水性繊維104とが複数本ずつ交互に配列されるように結合する。
In this example, first, a
これにより、低撥水性繊維102が偏在する領域R1と高撥水性繊維104が偏在する領域R2が形成される。また、本実施例の方法では、織布110、織布120において、予め低撥水性繊維102が偏在する領域R1と高撥水性繊維104が偏在する領域R2とを所望の箇所に形成しておくことで、低撥水性繊維102で周囲が囲まれた領域R1と高撥水性繊維104で周囲が囲まれた領域R2を電極基材の所望の場所に簡易に形成することができる。
Thereby, a region R1 where the low water-
なお、実施例6においては、織布同士が張り合わされて電極基材が結合されているが、織布同士が織り込まれた電極基材であってもよい。あるいは、図4に示すような織布ではなく、不織布同士が張り合わされた電極基材であってもよい。なお、織り込まれている、あるいは張り合わされている領域は、電極基材の全体であってもその一部であってもよい。また、織り込まれている、あるいは張り合わされている領域は、必ずしも規則的に形成されている必要はなく、適宜偏在させてもよい。 In Example 6, the woven fabrics are bonded to each other and the electrode base material is bonded, but an electrode base material in which the woven fabrics are woven may be used. Alternatively, instead of the woven fabric as shown in FIG. 4, an electrode base material in which nonwoven fabrics are bonded together may be used. It should be noted that the woven region or the bonded region may be the entire electrode substrate or a part thereof. Further, the woven or pasted regions are not necessarily formed regularly, and may be unevenly distributed as appropriate.
また、上述の各実施例においてステンレススチール繊維以外の金属繊維を用いることも可能であり、例えば、周期表4A族元素、周期表5A族元素、周期表6A族元素、周期表8族元素、周期表1B族元素の少なくともいずれかの金属、それらの組合せからなる合金や混合物であってもよい。また、樹脂繊維としては、例えば、PFA、FEP、ETFEなどの撥水性の高い材料を用いることができる。 Moreover, it is also possible to use metal fibers other than stainless steel fiber in each of the above-described embodiments. For example, periodic table 4A group element, periodic table 5A group element, periodic table 6A group element, periodic table group 8 element, period It may be an alloy or a mixture made of at least one metal of Table 1B group elements, or a combination thereof. Further, as the resin fiber, for example, a material having high water repellency such as PFA, FEP, ETFE or the like can be used.
また、実施例3乃至5によれば、撥水材を用いずに撥水性に差異を設けることが可能となり、撥水材による撥水処理工程の削除による工数の削減や生産バラツキの低減に寄与する。 Further, according to Examples 3 to 5, it becomes possible to provide a difference in water repellency without using a water repellent material, which contributes to a reduction in man-hours and a reduction in production variations due to the elimination of the water repellent treatment process using the water repellent material. To do.
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における製造方法の順番を適宜組み替えることや、電極基材、膜電極接合体、燃料電池において各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 As described above, the present invention has been described with reference to the above-described embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the configurations of the embodiments are appropriately combined or replaced. Those are also included in the present invention. Further, based on the knowledge of those skilled in the art, the order of the manufacturing method in each embodiment is appropriately changed, and various modifications such as design changes in the electrode substrate, membrane electrode assembly, and fuel cell are made to each embodiment. Embodiments to which such modifications are added can also be included in the scope of the present invention.
10 燃料電池、 20 固体高分子電解質膜、 22 アノード、 24 カソード、 26 触媒層、 28 ガス拡散層、 30 触媒層、 32 ガス拡散層、 34 セパレータ、 36 セパレータ、 38 ガス流路、 40 ガス流路、 50 膜電極接合体、 100 電極基材、 102 低撥水性繊維、 104 高撥水性繊維、 110 織布、 120 織布、 200 電極基材。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
金属繊維またはカーボン繊維からなる第1の繊維と、
前記第1の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第2の繊維と、
を有することを特徴とする電極基材。 An electrode base material constituting a part of an electrode provided on the surface of an electrolyte membrane for a fuel cell,
A first fiber made of metal fiber or carbon fiber;
A second fiber made of a metal fiber or carbon fiber having higher water repellency than the first fiber;
An electrode substrate characterized by comprising:
前記第2の繊維の黒鉛化度は、前記第1の繊維の黒鉛化度より高いことを特徴とする請求項1に記載の電極基材。 The first fiber and the second fiber are both carbon fibers,
The electrode base material according to claim 1, wherein the graphitization degree of the second fiber is higher than the graphitization degree of the first fiber.
金属繊維またはカーボン繊維からなる第1の繊維と、
前記第1の繊維より撥水性が高い樹脂繊維からなる第2の繊維と、を有し、
前記第1の繊維が偏在する領域と前記第2の繊維が偏在する領域とを有することを特徴とする電極基材。 An electrode base material constituting a part of an electrode provided on the surface of an electrolyte membrane for a fuel cell,
A first fiber made of metal fiber or carbon fiber;
A second fiber made of a resin fiber having higher water repellency than the first fiber,
An electrode base material comprising a region where the first fibers are unevenly distributed and a region where the second fibers are unevenly distributed.
前記第2の繊維が偏在する領域内に、前記第2の繊維で周囲が囲まれた空間が形成されていることを特徴とする請求項4または5に記載の電極基材。 In the region where the first fibers are unevenly distributed, a space surrounded by the first fibers is formed,
The electrode base material according to claim 4 or 5, wherein a space surrounded by the second fiber is formed in a region where the second fiber is unevenly distributed.
前記電解質膜の表面に設けられた請求項10に記載の電極と、
を備える膜電極接合体。 An electrolyte membrane;
The electrode according to claim 10 provided on the surface of the electrolyte membrane;
A membrane electrode assembly comprising:
金属繊維またはカーボン繊維からなる第1の繊維と、前記第1の繊維より撥水性が高い金属繊維またはカーボン繊維からなる第2の繊維と、を準備する準備工程と、
前記第1の繊維が偏在する領域と前記第2の繊維が偏在する領域が形成されるように、前記第1の繊維と前記第2の繊維とが複数本ずつ交互に配列されるように結合する結合工程と、
を含むことを特徴とする電極基材の製造方法。 A method for producing an electrode base material constituting a part of an electrode provided on the surface of an electrolyte membrane for a fuel cell,
A preparation step of preparing a first fiber made of metal fiber or carbon fiber and a second fiber made of metal fiber or carbon fiber having higher water repellency than the first fiber;
A plurality of the first fibers and the second fibers are alternately arranged so that a region where the first fibers are unevenly distributed and a region where the second fibers are unevenly formed are formed. A joining step to
The manufacturing method of the electrode base material characterized by including.
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