JP2010027510A - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】触媒インクを用いて電解質膜の一方の側にカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、前記電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程と、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の外側に、夫々アノード拡散層およびカソード拡散層を配置して膜電極接合体を作製する接合体作製工程と、前記膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得するガス拡散抵抗取得工程と、ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に含まれる膜電極接合体を選別する選別工程と、を備え、前記所定の数値範囲の上限値は30秒/メートルであることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【選択図】図8
Description
触媒インクを用いて電解質膜の一方の側にカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、
前記電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の外側に、夫々アノード拡散層およびカソード拡散層を配置して膜電極接合体を作製する接合体作製工程と、
前記膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得するガス拡散抵抗取得工程と、
ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に含まれる膜電極接合体を選別する選別工程と、
を備え、
前記所定の数値範囲の上限値は30秒/メートルであることを特徴とする。
前記ガス拡散抵抗取得工程は、
前記膜電極接合体の複数のカソード出口圧力と、前記複数のカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、0.2Vの一定電圧を印加しながら前記膜電極接合体にアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度を限界電流密度として取得する限界電流密度取得工程と、
カソード出口圧力を固定した場合における、前記複数の酸素分圧と、前記複数の酸素分圧に対応する前記限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出する傾き算出工程と、
夫々のカソード出口圧力と、前記傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出するガス拡散抵抗算出工程と、を備えることを特徴とする。
前記触媒インクは、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒インクにおける前記触媒担持カーボンのカーボンと前記アイオノマーとの重量比を1.25以下に調整する重量比調整工程を備えることを特徴とする。
電解質膜と、前記電解質膜一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたガス拡散層とを備え、
前記カソード触媒層におけるガス拡散抵抗が30秒/メートル以下であることを特徴とする。
前記カソード触媒層は、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒担持カーボンと前記アイオノマーとの重量比が1.25以下であることを特徴とする。
本実施の形態のカソード触媒層16は、ガス拡散抵抗が30秒/メートル以下である。本発明において、ガス拡散抵抗とは、カソード触媒層16におけるカソードガス中の酸素ガスの拡散困難性を示すパラメータであり、セパレータ24の下流のカソード出口圧力、カソード出口圧力に対する酸素ガスの分圧、限界電流密度に基づいて算出されるものである。ガス拡散抵抗は、具体的には、(1)複数のカソード出口圧力と、これらのカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、膜電極接合体32に対して0.2Vの一定電圧を印加しながらアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度(限界電流密度)を取得し、(2)カソード出口圧力を固定し、複数の酸素分圧と、この複数の酸素分圧に対応する限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出し、(3)夫々のカソード出口圧力と、傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片により算出される。限界電流密度を取得する際の、膜電極接合体32に対する詳細な測定条件については、実施例で後述することとする。ガス拡散抵抗を30秒/メートル以下とすることで、カソード触媒層16中に酸素ガスを均一に拡散させることができ、発電性能の良好な燃料電池を得ることができる。
本実施の形態のアノード触媒層14は、触媒粒子を担持する触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーとから形成されている。好ましい触媒粒子、触媒を担持するための導電性カーボンおよびアイオノマーとしては、カソード触媒層16と同様のものが挙げられる。アノード触媒層14中の触媒担持カーボンのカーボンとアイオノマーとの重量比は、特に限定されないが、アノード触媒層中のプロトン伝導性の観点から0.8〜1.2であることが好ましく、0.9〜1.1の範囲であることがより好ましい。
本実施の形態の電解質膜12は、プロトンをアノード触媒層14からカソード触媒層16へ伝導する役割をもつプロトン交換膜である。プロトン交換膜としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。好ましいプロトン交換膜としては、カソード触媒層16に用いられるアイオノマーと同一の材料が挙げられる。
本実施の形態の拡散層18、20は、酸素ガスをアノード触媒層14またはカソード触媒層16へ均一に拡散させるとともに、膜電極接合体32の乾燥を抑制する等の目的で備えられる多孔質基材である。多孔質基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔体を例示することができる。また、多孔質基材は、単層から形成されるものであってもよいが、触媒層に面する側により孔径の小さい多孔質層を設けた2層形成されるものであってもよい。
触媒インク調整工程は、I/Cを調整する重量比調整工程(1a)と、重量比調整後のアイオノマーおよびカーボンを混合する混合工程(1b)とを含む。重量比調整工程(1a)の具体例としては、I/Cを上述した好ましい重量比に調整する工程が挙げられる。こうすることで、発電性能の良好な範囲の燃料電池を確実に得ることができる。混合工程(1b)の具体例としては、重量比調整後のアイオノマーおよびカーボンに分散媒を加えて混合する工程が挙げられる。分散媒は、アイオノマーを溶解させうる溶媒であり、例えば水−アルコール混合溶液が挙げられる。混合方法としては、メディア型分散機を用いる分散法、超音波分散法等、特に限定されない。
カソード触媒層形成工程は、上記(1)触媒インク調整工程により調整した触媒インクを電解質膜の上に形成する工程である。カソード触媒層は、触媒インクを電解質膜に塗布し、その後乾燥させることによって、或いは、基材フィルム上に塗布して転写フィルムを形成し、その後電解質膜またはガス拡散層に熱転写することによって電解質膜の上に形成することができる。電解質膜に塗布する方法としては、触媒インクをスプレー法により直接塗布する方法や、触媒インクを電解質膜の上面中央部に塗布し、アプリケータを用いて触媒インクを伸ばすことにより電解質膜に塗布する方法等を用いることができる。
アノード触媒層形成工程は、電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成する工程である。アノード触媒層の形成方法としては、上記(2)カソード触媒層形成工程で述べた方法と同様の方法が挙げられる。上記(2)カソード触媒層形成工程と、本工程の順序は問わない。上記(2)カソード触媒層形成工程および本工程を経ることで、電解質膜の両側に触媒層が形成された触媒コート膜を得ることができる。
接合体作製工程は、触媒コート膜の外側に、アノード拡散層およびカソード拡散層をそれぞれ配置して膜電極接合体を作製する工程である。具体的には、触媒コート膜の外側にアノード触媒層およびカソード触媒層を接合することで膜電極接合体を作製する。接合方法としては、特に限定されず、触媒コート膜と夫々の拡散層を熱圧着する方法が挙げられる。
ガス拡散抵抗取得工程は、膜電極接合体の複数のカソード出口圧力と、この複数のカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、0.2Vの一定電圧を印加しながら膜電極接合体にアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度を限界電流密度として取得する限界電流密度取得工程(5a)と、カソード出口圧力を固定した場合における、複数の酸素分圧と、複数の酸素分圧に対応する限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出する傾き算出工程(5b)と、夫々のカソード出口圧力と、傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出するガス拡散抵抗算出工程(5c)と、を含む。
Rtotal=PO2/RT×4F/Ilim・・・・(1)
=(1/b)×(4F/RT)・・・・・・・・(2)
選別工程は、ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に入る膜電極接合体を選別する工程である。膜電極接合体は、上記(5)ガス拡散抵抗取得工程を経ることでガス拡散抵抗が算出されている。ここで、所定の数値範囲は、上限値を30秒/メートル、下限値を10秒/メートルとする選別範囲である。このため、算出ガス拡散抵抗が選別範囲に入るか否かを判定し、選別範囲に含まれる膜電極接合体を選別する。こうすることで、発電性能の良好な膜電極接合体と、そうでない膜電極接合体を選別できる。算出ガス拡散抵抗が選別範囲に入る膜電極接合体は、次の(7)セパレータ配設工程に供される。
セパレータ配設工程は、(6)選別工程を経て選別された膜電極接合体の両側にセパレータを配置する工程である。このようにして、膜電極接合体の両側にセパレータを配置し、単セルを作成することができる。
表1に示す組成の触媒インクを調整した。触媒インクの調製は、Pt60wt%担持カーボン(TKK社製)、アイオノマー(DuPont社製 ナフィオン分散溶液(DE2020))および分散媒を混合することにより行った。得られた触媒インクを電解質膜(Gore社製)にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を作製した。作製した触媒コート膜の両側にそれぞれ拡散層を配置して膜電極接合体を作製した。
表2に示すように、アイオノマー/カーボンの重量比を1.25とし、分散媒を水およびエタノールとした他は実施例1と同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクをアプリケータ塗工し、アノード触媒層およびカソード触媒層を形成した。その後、実施例1と同一の電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を転写することにより触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例1同様に膜電極接合体を作製した。
表3に示すように、アイオノマー/カーボンの重量比を0.85とした他は実施例1同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例1と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例1同様に膜電極接合体を作製した。
表4に示すように、アイオノマー/カーボンの重量比を1.00とした他は実施例1同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例1と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例1同様に膜電極接合体を作製した。
表5に示すように、分散媒を水およびエタノールとした他は実施例1同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例1と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を作製した。作製した触媒コート膜から実施例1同様に膜電極接合体を作製した。
表6に示すように、アイオノマー/カーボンの重量比を1.35とした他は実施例1同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例1と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例1同様に膜電極接合体を作製した。
実施例1〜4および比較例1、2として作製した膜電極接合体の限界電流密度(Ilim)測定を行った。測定は、3つの濃度条件と、4つのセル圧力条件とを組み合わせて行った。限界電流密度は、膜電極接合体に0.2Vの電圧を印加したときの電流密度とした。測定時の条件は以下のとおりである。
・アノードガス:純水素
・カソードガス:酸素/窒素
・カソードガス中の酸素濃度(%):1、2、3
・アノード湿度(%):80
・カソード湿度(%):80
・アノード流量(l/min):0.5
・カソード流量(l/min):1.6
・セル圧力(kPaG):7.7、54、104、148
・セル温度(℃):80
1.細孔構造評価
実施例1および比較例1で作製した触媒コート膜について、細孔構造評価を行った。まず、実施例1および比較例1で作製した触媒コート膜の微分細孔容積(Incremental Pore Volume)(ml/g)および累積細孔容積(Cumulative Pore Volume)(ml/g)を測定した。細孔構造評価は、横軸に細孔直径(μm)、縦軸に測定した微分細孔容積および累積細孔容積をプロットした図を作成することにより行った。実施例1で作製した触媒コート膜の細孔分布を図6に、比較例1で作製した触媒コート膜の細孔分布を図7にそれぞれ示す。
2.アイオノマー/カーボン依存性評価
実施例1、3、4および比較例2として作製した膜電極接合体について、カソード触媒層のアイオノマー/カーボン(I/C)依存性評価を行った。評価は、実施例1、3、4および比較例2のカソード触媒層のI/Cと、表7の実施例1、3、4および比較例2のガス拡散抵抗(s/m)と、を比較することにより行った。
3.発電性能評価
実施例1〜4および比較例1、2として作製した膜電極接合体について、発電性能評価を行った。まず、作製したそれぞれの膜電極接合体に対し、1.6(A/cm2)の一定電流で運転するとともに、セル温度を変化させ、セル温度毎に得られた電圧の平均値を算出した。セル温度60℃およびセル温度80℃の結果を表8に示す。
1.細孔構造評価結果
図6および図7から分かるように、実施例1および比較例1の細孔分布は、いずれも0.04(μm)付近のピークが強調され、同様の傾向を示すことが分かった。このことから、実施例1および比較例1の細孔構造は類似することが確認できた。
2.I/C依存性評価結果
実施例1、3、4から分かるように、I/Cが0.8〜1.20においては、ガス拡散抵抗値はI/Cが大きくなると共に増加する傾向が見られた。一方、比較例2のガス拡散抵抗値は、それまでの傾向とは異なり急激に上昇した。この結果から、I/Cが大きくなる、即ちカソード触媒層中のアイオノマー量が多くなると、カソード触媒層中を移動可能な水の量も多くなり、アイオノマーや水が障害となることでガス拡散抵抗が増すと考えられた。また、I/Cが1.20〜1.35の間にガス拡散抵抗値が急激に変化する境界域があると考えられた。
3.発電性能評価結果
表8から分かるように、実施例1〜4、比較例1においては、セル温度60℃、80℃のいずれにおいてもほぼ一定の出力電圧を示した。一方、比較例2においては、発電ができないという結果を示した。
図8から分かるように、実施例1、2として作製した膜電極接合体は、50℃〜90℃の温度範囲において、ほぼ一定の出力電圧であった。一方、比較例1として作製した膜電極接合体は、触媒コート膜の細孔構造が実施例1の触媒コート膜と類似するにも関わらず、60℃、50℃で出力電圧が低下し、また、85℃から90℃にかけても出力電圧が低下した。図8と、算出したガス拡散抵抗値とを比較した結果、I/Cを1.25以下に調整し、作製した膜電極接合体のガス拡散抵抗値が30s/m以下のものは、幅広い温度範囲で良好な電池性能を示すことが分かった。
12、52 電解質膜
14、54 アノード触媒層
16、56 カソード触媒層
18、20 拡散層
22、24 セパレータ
30、62 触媒コート膜
32、50 膜電極接合体
58 多孔質基材
60 多孔質層
Claims (5)
- 触媒インクを用いて電解質膜の一方の側にカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、
前記電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の外側に、夫々アノード拡散層およびカソード拡散層を配置して膜電極接合体を作製する接合体作製工程と、
前記膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得するガス拡散抵抗取得工程と、
ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に含まれる膜電極接合体を選別する選別工程と、
を備え、
前記所定の数値範囲の上限値は30秒/メートルであることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 前記ガス拡散抵抗取得工程は、
前記膜電極接合体の複数のカソード出口圧力と、前記複数のカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、0.2Vの一定電圧を印加しながら前記膜電極接合体にアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度を限界電流密度として取得する限界電流密度取得工程と、
カソード出口圧力を固定した場合における、前記複数の酸素分圧と、前記複数の酸素分圧に対応する前記限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出する傾き算出工程と、
夫々のカソード出口圧力と、前記傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出するガス拡散抵抗算出工程と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の製造方法。 - 前記触媒インクは、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒インクにおける前記触媒担持カーボンのカーボンと前記アイオノマーとの重量比を1.25以下に調整する重量比調整工程を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池の製造方法。 - 電解質膜と、前記電解質膜一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記カソード触媒層におけるガス拡散抵抗が30秒/メートル以下であることを特徴とする燃料電池。 - 前記カソード触媒層は、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒担持カーボンと前記アイオノマーとの重量比が1.25以下であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。
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