JP2010021060A - 燃料電池用保水層およびその製造方法並びに電解質膜−電極接合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを含み、前記バインダー材料が偏在した状態で前記保水性材料を部分的に覆う、燃料電池用保水層。
【選択図】図4
Description
1.サンプリング、秤量・予備乾燥
粉末は、約0.04〜0.07gを精秤し、塗布シートは約5cm×5cm角を切り出し、さらに約5mm巾×25mmの切片にして秤量後、それぞれ試料管に封入した。この試料管を真空乾燥器で90℃×数時間予備乾燥し、測定に供した。秤量には、島津製作所株式会社製電子天秤(AW220)を用いた。なお、塗布シートについては、これの全重量から、同面積のテフロン(基材)重量を差し引いた塗布層の正味の重量約0.03〜0.04gを試料重量として用いた。
吸着・脱着等温線の吸着側において、相対圧(P/P0)約0.00〜0.45の範囲から、BETプロットを作成することで、その傾きと切片からBET比表面積を算出する。
粉末状の保水性材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、カーボンブラック(オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなど)などの炭素材料;アルミナ、チタニア、シリカ、酸化スズなどの金属酸化物;ゼオライトなどが挙げられる。これらの保水性材料は1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。保水性材料は、比表面積の点から、好ましくは、炭素材料、金属酸化物であり、より好ましくは、炭素材料、特にカーボンブラックや活性炭である。
通水性のバインダー材料(以下、単にバインダーとも称する)は、上記保水性材料を結着できる材料であれば、特に限定されない。例えば、ポリアクリルアミド、水性ウレタン樹脂、シリコン樹脂等の高分子;高分子電解質等が挙げられる。好適には高分子電解質(以下、アイオノマーとも称する)である。バインダー材料をアイオノマーとすることで、同じアイオノマーを含むMEAの構成要素(電解質膜や触媒層)と隣接して保水層を配置する場合に安定して配置させることができ、触媒層や膜と、保水性材料との間の水輸送抵抗を低減することができる。この結果、電解質膜または触媒層と、保水性材料との間の水輸送性が向上し、より早い時間で平衡に達することができる。バインダー材料が高分子電解質である場合は、当該電解質は、触媒層や電解質膜中に使用される高分子電解質と同じであってもよいし、異なってもよい。さらに、保水層を含むMEAを作製する場合、材料を共通化することもでき、作製時の省力化が図れる。
保水層の作製方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、保水性材料、バインダー、および溶媒を混合して保水層用インクを調製し、これを基材に塗布した後、乾燥させる方法などが用いられる。また、触媒成分が担持された保水性材料用いる場合には、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法を用いて、予め保水性材料に触媒成分を担持させておくのがよい。
(i−2)バインダーを含有した溶液を調製し、高沸点有機溶媒を含む溶媒を添加する。その後、保水性材料をさらに混合(添加)して、保水層用インクを調製する;および
(i−3)保水性材料と高沸点有機溶媒を含む溶媒とを混合する。次に、別途バインダーを含有した溶液を、さらに添加して、保水層用インクを調製する。
高分子電解質膜は、イオン交換樹脂から構成され、PEFCの運転時にアノード側触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード側触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
触媒層は、実際に反応が進行する層である。具体的には、アノード側触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード側触媒層では酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性担体、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含む。
ガス拡散層は、セパレータ流路を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
ガスケットは、触媒層またはガス拡散層(すなわち、ガス拡散電極)を包囲するように配置され、供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)のガス拡散電極からの漏出を防止する機能を有する。
MEAは、セパレータで挟持されてPEFCの単セルを構成する。PEFCは、単セルが複数個直列に接続されてなるスタック構造を有するのが一般的である。この際、セパレータは、各MEAを直列に電気的に接続する機能に加えて、燃料ガスおよび酸化剤ガス並びに冷媒といった異なる流体を流す流路やマニホールドを備え、さらにはスタックの機械的強度を保つといった機能をも有する。
Pt粒子をPt担持濃度46質量%として担持させた白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社、TEC10E50E、ケッチェンブラック担体(BET比表面積560m2/g_carbon)を用いた。該白金担持カーボンに対して、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)(EW=1000)を含有した溶液(DuPont(株)社製、溶液中の溶媒組成:水が50質量部、1−プロパノールが50質量部)を加えた。
実施例1に使用した白金担持カーボンに使用されているケッチェンブラック担体で、白金が担持されていないもの(ケッチェンブラック単体(BET比表面積718m2/g_c))を適用した。実施例1と同様の作製方法により、カーボン担持量が0.35mg_c/cm2相当の厚さとなるような塗布シートを作製した。保水層用インクの固形分率は、19質量%である。また、保水層用インク中の溶媒組成は、水:プロピレングリコール:1−プロパノール=4:1:3であり、溶媒の沸点(平均値)は、約110℃である。
Pt粒子をPt担持濃度46質量%として担持させた白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社、TEC10E50E、ケッチェンブラック担体)を用いた。該白金担持カーボンの質量に対して、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製)を加えた。溶液中の電解質は、白金担持カーボンのカーボン担体の質量に対する固形分質量比(カーボン/電解質)を1.0/0.9としたものを用いた。これに、純水を加えていき、インク全体の重量に対してインクの固形分率(白金担持カーボン+電解質)を19質量%とした。
水蒸気吸着等温線の測定方法
1.前処理・サンプリング
上記塗布シート状の保水層を掻き落とし、適量(約0.03〜0.05g)をガラスセルに入れて、90℃で約5時間減圧乾燥した後、測定に供した。
該手法では、所定温度における水蒸気吸着・脱着等温線を測定することにより、所定の温度・圧力における水蒸気吸着量を求めることができる。水蒸気吸着量は気体の状態方程式PV=nRTに基づいて算出する。すなわち、各パラメータのうち、体積V、気体定数R、温度Tは、測定中、常に一定であるため、圧力Pの変化を追うことにより、試料に吸着した水分子のモル数n(水蒸気吸着量)を求めることができる。なお、平衡圧に到達するのに数十分〜数時間要するため、1検体(数十測定ポイント)測定するに約1〜3日必要とする。
12、22、32 固体高分子電解質膜、
13、23 アノード側電極触媒層、
33 アノード側電極触媒層(燃料電池用保水層)、
14、24、34 アノード側ガス拡散層、
15、25、35 カソード側電極触媒層、
16、26、36 カソード側ガス拡散層、
17、27 燃料電池用保水層、
100 固体高分子電解質型燃料電池、
101 カソード側セパレータ、
102 アノード側セパレータ、
103、104 ガス供給溝。
Claims (13)
- 粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを含み、前記バインダー材料が偏在した状態で前記保水性材料を部分的に覆う、燃料電池用保水層。
- 前記バインダー材料が高分子電解質である、請求項1に記載の燃料電池用保水層。
- 前記保水層の相対圧1における水蒸気吸着量が、保水性材料の単位重量あたりに対して400mg/g以上である、請求項1または2に記載の燃料電池用保水層。
- 前記保水性材料が、窒素BET比表面積が500m2/g以上であるカーボン粉末を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用保水層。
- 沸点が100℃を超える有機溶剤を含む溶媒と、粉末状の保水性材料と、通水性のバインダー材料とを混合して、保水層用インクを得る工程を含む、燃料電池用保水層の製造方法。
- 前記保水層用インクを基材上に塗布し、100℃以上の温度で乾燥する工程を含む、請求項5に記載の燃料電池用保水層の製造方法。
- 前記溶媒の沸点が100℃を超える、請求項5または6に記載の燃料電池用保水層の製造方法。
- 前記保水層用インクの固形分率が20質量%以下である、請求項5〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用保水層の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の保水層または請求項5〜8のいずれか1項に記載の製造方法により得られる保水層を含む、電解質膜−電極接合体。
- 前記保水層が、電極触媒層と隣接して設けられている、請求項9に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記保水層が、電極触媒層である、請求項9に記載の電解質膜−電極接合体。
- 請求項9〜11のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体を用いる燃料電池。
- 請求項12に記載の燃料電池を搭載した車両。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012069260A (ja) * | 2010-09-21 | 2012-04-05 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
WO2014199736A1 (ja) * | 2013-06-11 | 2014-12-18 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光検出装置及びエンコーダ |
JP2021093273A (ja) * | 2019-12-09 | 2021-06-17 | 凸版印刷株式会社 | 燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003045442A (ja) * | 2001-08-03 | 2003-02-14 | Toyota Motor Corp | 貴金属−卑金属合金系触媒とその評価および製造方法 |
JP2004158387A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Honda Motor Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用の電極構造体 |
JP2005041769A (ja) * | 2003-07-07 | 2005-02-17 | Toyo Tanso Kk | 炭素化物及びその製造方法 |
JP2005235444A (ja) * | 2004-02-17 | 2005-09-02 | Toyota Motor Corp | 膜電極接合体とその製造方法 |
WO2005120703A1 (ja) * | 2004-06-10 | 2005-12-22 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 金属触媒とその製造方法 |
JP2006179315A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Nissan Motor Co Ltd | ガス拡散層、および、これを用いた燃料電池 |
JP2007214101A (ja) * | 2005-05-31 | 2007-08-23 | Nissan Motor Co Ltd | 電解質膜−電極接合体およびその製造方法 |
JP2008140763A (ja) * | 2006-11-06 | 2008-06-19 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の製造方法 |
-
2008
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Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003045442A (ja) * | 2001-08-03 | 2003-02-14 | Toyota Motor Corp | 貴金属−卑金属合金系触媒とその評価および製造方法 |
JP2004158387A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Honda Motor Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用の電極構造体 |
JP2005041769A (ja) * | 2003-07-07 | 2005-02-17 | Toyo Tanso Kk | 炭素化物及びその製造方法 |
JP2005235444A (ja) * | 2004-02-17 | 2005-09-02 | Toyota Motor Corp | 膜電極接合体とその製造方法 |
WO2005120703A1 (ja) * | 2004-06-10 | 2005-12-22 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 金属触媒とその製造方法 |
JP2006179315A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Nissan Motor Co Ltd | ガス拡散層、および、これを用いた燃料電池 |
JP2007214101A (ja) * | 2005-05-31 | 2007-08-23 | Nissan Motor Co Ltd | 電解質膜−電極接合体およびその製造方法 |
JP2008140763A (ja) * | 2006-11-06 | 2008-06-19 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の製造方法 |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012069260A (ja) * | 2010-09-21 | 2012-04-05 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
WO2014199736A1 (ja) * | 2013-06-11 | 2014-12-18 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光検出装置及びエンコーダ |
JP2021093273A (ja) * | 2019-12-09 | 2021-06-17 | 凸版印刷株式会社 | 燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
JP7419780B2 (ja) | 2019-12-09 | 2024-01-23 | Toppanホールディングス株式会社 | 燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
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