JP2010073503A - 燃料電池用触媒層、燃料電池用触媒層転写シート、燃料電池用ガス拡散電極、燃料電池用膜電極接合体、および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明は、少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物、および燃料電池用触媒を含む燃料電池用触媒層の、水の接触角が0°<X<90°であることを特徴とする燃料電池用触媒層である。また本発明の燃料電池用触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)は、0.1≦Y≦1.0であることが好ましい。本発明によって、低加湿条件下でも優れたPEFCの発電特性を得ることができた。
【選択図】なし
Description
また、前記触媒層が高分子のフィルム上に形成された燃料電池用触媒層転写シートであることが好ましい。
また、前記触媒層が導電性多孔質シート上に形成された燃料電池用ガス拡散電極であることが好ましい。
また、前記触媒層がカソードに用いられることが好ましく、前記触媒層がプロトン伝導性を有する高分子電解質膜に接合された燃料電池用膜電極接合体であることが好ましい。 また、前記触媒層を燃料電池に用いることが好ましい。
また本発明は、請求項1の燃料電池用触媒層に、少なくとも酸素を含む酸化剤および90%RH以下の水蒸気を含む気体を供給することを特徴とする燃料電池システムである。
<プロトン伝導性基が導入された芳香族高分子化合物(スルホン化PEEK)の作製>
最初に、メカニカルスターラーと還流管、および塩化カルシウム管を取り付けた反応容器に硫酸552.0gを入れ、次いで撹拌しながらPEEK450PF(ビクトレックス・エムシー社製ポリエーテルエーテルケトン)22.2gを加え、室温にて48時間撹拌した。反応溶液をイオン交換水中に滴下して反応生成物を沈殿させたあとろ過し、ろ液が中性になるまでイオン交換水にて洗浄した。得られた反応生成物を真空下、105℃にて8時間乾燥することにより、プロトン伝導性基が導入された芳香族高分子化合物(スルホン化PEEK)26.94gを得た。前記化合物のIECは2.2meq/g、プロトン伝導度は6.0×10-2S/cmであった。
触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y=0.1(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)のカソード側触媒層が形成されたガス拡散電極の製造は、次の手順にて作製した。なお、ここでは、プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量は、プロトン伝導性基が導入された高分子化合物と架橋材との合計重量とした。
最初に、燃料電池用組成物として、脱イオン水(8.330g)に白金ルテニウム合金担時カーボン触媒粉末(触媒に占める触媒合金金属の割合:55wt%、0.833g)を加えた後に、高分子電解質溶液(ナフィオン溶液、デュポン社製、5wt%、5.250g)を順に加え、マグネチックスターラーを用いて30分撹拌した。つぎに、プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物としてPTFE分散液(60wt%、0.188g)を加え、分散機を用いて触媒層形成材料を作製した。なお、触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yは0.7(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)とし、触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物の比率Zは0.3(Z=プロトン伝導性基が導入されていない高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)とした。最後に、前記燃料電池用触媒層形成材料を、エアスプレーを用いてミクロポーラスレイヤー付カーボンペーパー(GDL24BC、SGL社製)に塗布し、最後に、送風オーブン(80℃)で1時間乾燥することによって、白金担持量0.5mgPt/cm2のアノード触媒層が形成されたガス拡散電極を製造した。
前記カソード側ガス拡散電極を、SUS板、ポリイミドシート(100mm × 100mm × 0.05mm )、アノード側ガス拡散電極(22mm × 22mm)、ガス拡散電極部分を切り抜いたPTFEシート(100mm × 100mm × 0.2mm)、ポリイミドシート(100mm × 100mm × 0.05mm )、SUS板の順に積層し、150℃に加熱した加圧板に、設置した後に、50kgf/cm2、30 分間保持の条件で加熱処理した。この加熱処理したガス拡散電極の触媒層上に脱イオン水1μLを滴下し、その水滴の形状をCCDカメラで撮影することによって触媒層の水の接触角を測定した。
膜電極接合体は、加熱圧接機(テスター産業株式会社)を用いて次の手順で製作した。最初に、SUS板、PTFEシート(100mm × 100mm × 0.05mm )、アノード側ガス拡散電極(22mm × 22mm)、ガス拡散電極部分を切り抜いたPTFEシート(100mm × 100mm × 0.2mm)、高分子電解質膜(NRE212CS、デュポン社製)触媒層部分を切り抜いたPTFEシート(100mm × 100mm × 0.2mm)、カソード側ガス拡散電極(22mm × 22mm)、PTFEシート(100mm × 100mm × 0.05mm )およびSUS板の順に積層した。この積層物を、150℃に加熱した加圧板に、設置した後に、50kgf/cm2、30 分間保持の条件で加熱圧接することによって作製した。
前記膜電極接合体を用いて燃料電池単セルを組み立てた。最初に、アノード側エンドプレート、ガスフロープレート、PTFEガスケット(0.20mm)、膜電極接合体、PTFEガスケット(0.20mm)、ガスフロープレート、エンドプレートの順に積層した。つぎに、M3のボルトで2Nmで締め付けることによって、本実施例で用いる燃料電池単セルを製作した。
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.25にしたこと以外は実施例1と同様にした。
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.5にしたこと以外は実施例1と同様にした。
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.7にしたこと以外は実施例1と同様にした。
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを1.0にしたこと以外は実施例1と同様にした。
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを0.08にしたこと以外は実施例1と同様にした。
カソード触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Yを1.2にしたこと以外は実施例1と同様にした。
カソード触媒層に用いるプロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物のかわりに、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有さない高分子化合物(ナフィオン溶液、デュポン社製)を用いたこと以外は実施例4と同様にした。
Claims (10)
- 少なくとも、プロトン伝導性基が導入された芳香族単位を有する高分子化合物、および燃料電池用触媒を含む燃料電池用触媒層の、水の接触角が0°<X<90°であることを特徴とする燃料電池用触媒層。
- 請求項1記載の触媒層における触媒担体に対するプロトン伝導性基が導入された高分子化合物の比率Y(Y=プロトン伝導性基が導入された高分子化合物の固形分重量/触媒担体の重量)が、0.1≦Y≦1.0であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用触媒層。
- 前記請求項1〜2のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層が、高分子のフィルム上に形成されていることを特徴とする、燃料電池用触媒層転写シート。
- 前記請求項1〜2のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層が、無機物のフィルム上に形成されていることを特徴とする、燃料電池用触媒層転写シート。
- 前記請求項1〜2のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層が、導電性多孔質シート上に形成されていることを特徴とする、燃料電池用ガス拡散電極。
- 前記請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層が、カソードに使用されることを特徴とする、燃料電池用触媒層。
- 前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層がプロトン伝導性を有する高分子電解質膜に接合されていることを特徴とする、燃料電池用膜電極接合体。
- 前記請求1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層を備えた燃料電池。
- 請求項1の燃料電池用触媒層に、少なくとも酸素を含む酸化剤および90%RH以下の水蒸気を含む気体を供給することを特徴とする発電方法。
- 請求項1の燃料電池用触媒層に、少なくとも酸素を含む酸化剤および90%RH以下の水蒸気を含む気体を供給することを特徴とする燃料電池システム。
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