JP2011159624A - Device for manufacturing catalyst layer of fuel cell, method for manufacturing catalyst layer of fuel cell, polymer electrolytic solution, and method for manufacturing polymer electrolytic solution - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用触媒層の製造装置と、燃料電池用触媒層の製造方法と、高分子電解質溶液と、高分子電解質溶液の製造方法とに関する。 The present invention relates to a fuel cell catalyst layer manufacturing apparatus, a fuel cell catalyst layer manufacturing method, a polymer electrolyte solution, and a polymer electrolyte solution manufacturing method.
従来、特許文献1に示されているような膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)90を用いた燃料電池システムが知られている。このMEA90は、図4に示すように、ナフィオン(登録商標、Nafion(Du pont社製))等の固体高分子膜からなる電解質膜91と、この電解質膜91の一面に接合されて空気が供給されるカソード極93と、電解質膜91の他面に接合されて水素等の燃料が供給されるアノード極92とを有している。
Conventionally, a fuel cell system using a membrane electrode assembly (MEA) 90 as shown in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 4, the
カソード極93は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材93bと、この基材93bの一面に形成されたカソード触媒層93aとからなる。カソード極93におけるカソード触媒層93a以外の部分は、基材93bであり、ここは非電解質側でカソード触媒層93aに空気を拡散するカソード拡散層とされている。
The
また、アノード極92も、上記のような基材92bと、この基材の一面に形成されたアノード触媒層92aとからなる。アノード極92におけるアノード触媒層92a以外の部分も基材92bであり、ここは非電解質側でアノード触媒層92aに燃料を拡散するアノード拡散層とされている。
The
カソード触媒層93aやアノード触媒層92aは、図5に示すように、カーボンブラックからなる担体81aに白金(Pt)等の触媒金属微粒子81bを担持してなる無数の触媒81と、各触媒81を互いに結合するとともに図示しない基材に結合する高分子電解質82とを含むものである。高分子電解質82としては電解質膜91と同様のものが用いられる。
As shown in FIG. 5, the
そして、このMEA90を図示しないセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。カソード触媒層93aには空気供給手段によって空気が供給され、アノード触媒層92aには水素供給手段等によって水素等が供給されるようになっている。こうして燃料電池システムが構成される。
The MEA 90 is sandwiched between unillustrated separators to form a fuel cell, which is the minimum power generation unit, and a number of these cells are stacked to form a fuel cell stack. Air is supplied to the
このMEA90では、アノード触媒層92aにおける電気化学的反応により、燃料から水素イオン(H+;プロトン)と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったH3O+の形で電解質膜91内をカソード触媒層93aに向かって移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、カソード触媒層93aに流れる。一方、カソード触媒層93aにおいては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。
In the
しかし、上記従来のMEA90は、低加湿状態において、電解質膜及び各触媒層の高分子電解質の乾燥による性能低下が生じ、過加湿状態では、水滞留によるガス供給阻害(フラッディング)がもたらす性能低下が生じる。このため、このMEA90を備えた燃料電池では、上記の各環境下において発電能力が低下する問題がある。
However, the above-described conventional MEA 90 has a reduced performance due to drying of the polymer electrolyte in the electrolyte membrane and each catalyst layer in the low humidified state, and in the excessively humidified state, the performance deterioration caused by gas supply inhibition (flooding) due to water retention. Arise. For this reason, in the fuel cell provided with this
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、電気化学的反応を円滑に進行させる燃料電池用触媒層を得ることを解決すべき課題としている。また、高分子電解質溶液と、この高分子電解質溶液の製造方法とを提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to obtain a fuel cell catalyst layer that allows an electrochemical reaction to proceed smoothly. Moreover, it is set as the problem which should be solved to provide a polymer electrolyte solution and the manufacturing method of this polymer electrolyte solution.
本発明の燃料電池用触媒層の製造装置は、触媒ペーストによって触媒層を形成する燃料電池用触媒層の製造装置において、
親水性官能基をもつ側鎖を有する高分子電解質が溶媒に溶解されたプレ溶液の水の濃度を所定値以下まで減らし、高分子電解質溶液を得る水除去手段と、
触媒と前記水とが混合されて得られたプレペーストと、該高分子電解質溶液とを混合して、前記触媒ペーストを得る撹拌手段とを備えたことを特徴とする(請求項1)。
The fuel cell catalyst layer production apparatus of the present invention is a fuel cell catalyst layer production apparatus that forms a catalyst layer with a catalyst paste.
Water removing means for reducing the concentration of water in the pre-solution in which the polymer electrolyte having a side chain having a hydrophilic functional group is dissolved in a solvent to a predetermined value or less, and obtaining a polymer electrolyte solution;
A pre-paste obtained by mixing a catalyst and the water and a stirring means for mixing the polymer electrolyte solution to obtain the catalyst paste are provided (claim 1).
発明者の知見によれば、カソード触媒層93aやアノード触媒層92aにおいて、触媒81と高分子電解質82の層との間には、高分子電解質82の側鎖101末端の親水官能基による親水層83が形成されることにより、プロトン及び同伴水移動と、生成水の逆拡散及び排出が円滑に行われると推察している。そして、この親水層83が一方向に揃い、かつ連続した状態で斑無く形成されている触媒層では、低加湿状態においてもカソード極93に生じる生成水を親水層83で保持しつつアノード極92に逆拡散できる。このため電解質膜11と各触媒層の高分子電解質82の乾燥を防止して高性能を維持できる。また、過加湿状態においても、同様に生成水を親水層83を通じて排出して性能低下を防ぐことが可能となる。
According to the inventor's knowledge, in the
そこで、発明者は、親水層83が斑無く形成されるようにするため、高分子電解質溶液中における高分子電解質82の固形分の状態に着目し、下記の知見を見出した。すなわち、図8の(A)、(B)に示すように、高分子電解質82の固形分は、疎水性の主鎖100と親水性官能基をもつ側鎖101とを有している。親水性官能基は、例えば、スルホン基(SO3 -)からなる。そして、触媒81と水を混合したペースト(プレペースト)と高分子電解質溶液とを混合することにより、親水性官能基が触媒81に吸着した水に引き寄せられ、カソード触媒層93aやアノード触媒層92aに親水層83が形成される。
Therefore, the inventor has found the following knowledge by paying attention to the solid content of the
そして、発明者は、高分子電解質溶液中の水の濃度を低減させると、高分子電解質溶液における高分子電解質82の固形分の濃度が同じ場合においても高分子電解質溶液の粘度が高くなり、逆に水の濃度を高くすると、高分子電解質溶液の粘度が低くなることを見出した。これより、発明者は高分子電解質溶液の水の濃度が高い場合、高分子電解質82の側鎖101に水が吸着し、図8の(A)に示すように、高分子電解質溶液中で高分子電解質82の固形分が凝集した状態となり、高分子電解質溶液の粘度が低下すると推察した。また、高分子電解質溶液の水濃度がやや低くなれば、高分子電解質溶液に含有されている有機溶媒の作用によって、図8の(B)に示すように、高分子電解質溶液中で高分子電解質82の固形分が解れて高分子電解質溶液の粘度が上昇すると推定した。
When the inventor reduces the concentration of water in the polymer electrolyte solution, the viscosity of the polymer electrolyte solution increases even when the solid concentration of the
凝集が進行した高分子電解質82の固形分を含む高分子電解質溶液を混合して、例えばカソード触媒層93aを製造した場合、このカソード触媒層93aでは、図9に示すような状態となっていると考えられる。すなわち、このカソード触媒層93a中では、高分子電解質82の固形分が凝集していることから、側鎖101が多方向に向かって延びることとなる。そして、この側鎖101とカソード触媒層93a中の水とが吸着することにより、カソード触媒層93a中で親水層83が分散して形成されることとなる。このため、このカソード触媒層93aにおいて、高分子電解質82の固形分が凝集している箇所では、カソード触媒層93a中のイオン抵抗により、プロトン及び水がカソード触媒層93a内を移動し難い。このため、低加湿状態では、電解質膜11及び各触媒層中の高分子電解質82の乾燥による性能低下を引き起こし、過加湿状態では、フラッディングによる性能低下が生じる要因となる。
When, for example, the
発明者は、上記の問題を解決すべく鋭意研究を重ね、本発明の電池用触媒層の製造装置を発明するに至った。すなわち、この製造装置が備える水除去手段により、得られた高分子電解質溶液では、水の濃度が所定値以下となることから、粘度が高く、また、高分子電解質溶液中で高分子電解質82の側鎖101が水と吸着し難い。このため、この高分子電解質溶液中は図1に示されるような状態、すなわち高分子電解質溶液中で、高分子電解質82の固形分が解れた状態となっていると考えられる。このため、撹拌手段によってプレペーストと混合されて得られた触媒ペースト、すなわち、燃料電池用触媒層では、高分子電解質82の親水性官能基、すなわちスルホン基がプレペースト中の水と吸着することとなる。このため、図6に示すように、この燃料電池用触媒層では、触媒81の表面に配向した状態で高分子電解質82の親水層83が形成される。そして、上記のようにスルホン基がプレペースト中の水と吸着することで、燃料電池用触媒層では、図6に示すように、触媒81上に親水層83が形成されるように、高分子電解質82の側鎖101の親水性官能基が触媒81側に配向している(PFF構造)状態となると考えられる。このため、この製造装置によって得られた燃料電池用触媒層では、図5に示すように、プロトン及び水が移動し易く、電気化学的反応が円滑に進行される。このため、この燃料電池用触媒層を有するMEA90では、低加湿状態及び過加湿状態のいずれであっても、発電能力を高くすること可能となる。
The inventor has intensively studied to solve the above problems, and has invented the battery catalyst layer production apparatus of the present invention. That is, in the polymer electrolyte solution obtained by the water removing means provided in the manufacturing apparatus, the concentration of water is not more than a predetermined value, so that the viscosity is high and the
したがって、本発明の燃料電池用触媒層の製造装置によれば、電気化学的反応が円滑に行われる燃料電池用触媒層を得ることが可能となる。 Therefore, according to the fuel cell catalyst layer manufacturing apparatus of the present invention, it is possible to obtain a fuel cell catalyst layer in which an electrochemical reaction is smoothly performed.
本発明の燃料電池用触媒層の製造装置において、水除去手段は湯煎であることが好ましい(請求項2)。この場合には、容易にプレ溶液の水の濃度を所定値以下にすることが可能となり、高分子電解質溶液を容易に得ることが可能となる。 In the apparatus for producing a fuel cell catalyst layer according to the present invention, the water removing means is preferably a hot water bath (claim 2). In this case, the concentration of water in the pre-solution can be easily reduced to a predetermined value or less, and a polymer electrolyte solution can be easily obtained.
本発明の高分子電解質溶液は、親水性官能基をもつ側鎖を有する高分子電解質が溶媒に溶解され、水の濃度が10%以下であることを特徴とする(請求項3)。 The polymer electrolyte solution of the present invention is characterized in that a polymer electrolyte having a side chain having a hydrophilic functional group is dissolved in a solvent, and the concentration of water is 10% or less (claim 3).
本発明の高分子電解質溶液は、水の濃度が10%以下と低いことから、図1に示されるような状態、すなわち高分子電解質溶液中で、高分子電解質82の固形分が解れた状態となっていると考えられる。そして、このように解れた状態の高分子電解質82では、主鎖100が一方向に延びる。このため、この高分子電解質溶液が混合された燃料電池用触媒層では、親水性官能基と水とが一方向で吸着し、燃料電池用触媒層中で親水層83が一方向に揃い、かつ連続した状態となると考えられる。このため、このような燃料電池用触媒層では、プロトン及び水が移動し易く、電気化学的反応が円滑に進行される。
Since the concentration of water is as low as 10% or less, the polymer electrolyte solution of the present invention has a state as shown in FIG. 1, that is, a state in which the solid content of the
したがって、本発明の高分子電解質溶液は、燃料電池用触媒層を構成する高分子電解質溶液として好適である。 Therefore, the polymer electrolyte solution of the present invention is suitable as a polymer electrolyte solution constituting the fuel cell catalyst layer.
発明者の試験結果によれば、高分子電解質溶液は水の濃度が5%以下であることが好ましい(請求項4)。この場合には、高分子電解質溶液の水の濃度がより低くなるため、高分子電解質溶液中の高分子電解質82は、より解れた状態となり、図1に示す状態となり易い。
According to the inventor's test results, the polymer electrolyte solution preferably has a water concentration of 5% or less (claim 4). In this case, since the concentration of water in the polymer electrolyte solution becomes lower, the
溶媒は、第2級アルコール及び第3級アルコールの少なくとも1種を含むことが好ましい(請求項5)。発明者の試験によれば、溶媒がメタノールやエタノールのような第1級アルコールを含めば、水分濃度を減らしても高分子電解質溶液の粘度が高くならない。溶媒がイソプロピルアルコール(IPA)のような第2級アルコールやターシャリーブチルアルコール(TBA)のような第3級アルコールを含めば、高分子電解質溶液中における高分子電解質82の固形分はより解れた状態になる。また、発明者の試験によれば、溶媒が第2級アルコール及び第3級アルコールを含めば、高分子電解質溶液中における高分子電解質82の固形分はさらに解れた状態になる。
The solvent preferably contains at least one of a secondary alcohol and a tertiary alcohol (Claim 5). According to the inventor's test, if the solvent contains a primary alcohol such as methanol or ethanol, the viscosity of the polymer electrolyte solution does not increase even if the water concentration is reduced. If the solvent included a secondary alcohol such as isopropyl alcohol (IPA) or a tertiary alcohol such as tertiary butyl alcohol (TBA), the solid content of the
本発明の高分子電解質溶液の製造方法は、親水性官能基をもつ側鎖を有する高分子電解質が溶媒に溶解されたプレ溶液を準備するプレ溶液準備工程と、
該プレ溶液から少なくとも水を10%以下の濃度まで減らし、高分子電解質溶液を得る溶液調製工程とからなることを特徴とする(請求項6)。
The method for producing a polymer electrolyte solution of the present invention comprises a pre-solution preparation step of preparing a pre-solution in which a polymer electrolyte having a side chain having a hydrophilic functional group is dissolved in a solvent;
It comprises a solution preparation step in which at least water is reduced to a concentration of 10% or less from the pre-solution to obtain a polymer electrolyte solution (claim 6).
本発明の高分子電解質溶液の製造方法によれば、上記のような特徴を有する高分子電解質溶液を安定的に製造することができる。 According to the method for producing a polymer electrolyte solution of the present invention, a polymer electrolyte solution having the above characteristics can be produced stably.
本発明の燃料電池用触媒層の製造方法は、触媒ペーストによって触媒層を形成する燃料電池用触媒層の製造方法において、
親水性官能基をもつ側鎖を有する高分子電解質が溶媒に溶解されたプレ溶液の水の濃度を10%以下まで減らし、高分子電解質溶液を得る水除去工程と、
触媒と前記水とを混合し、プレペーストを製造するプレペースト調製工程と、
前記プレペーストに前記高分子電解質溶液を混合し、触媒ペーストを得る撹拌工程とを備えていることを特徴とする(請求項7)。
The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to the present invention is a method for producing a catalyst layer for a fuel cell in which the catalyst layer is formed with a catalyst paste.
A water removal step of reducing the concentration of water in the pre-solution in which the polymer electrolyte having a side chain having a hydrophilic functional group is dissolved in a solvent to 10% or less to obtain a polymer electrolyte solution;
A pre-paste preparation step of mixing the catalyst and the water to produce a pre-paste;
And a stirring step of mixing the polymer electrolyte solution with the pre-paste to obtain a catalyst paste (Claim 7).
本発明の製造方法によれば、水除去工程において、高分子電解質溶液における水の濃度が10%以下となる。このため、この高分子電解質溶液は、上記のような特徴を有することとなる。このため、撹拌工程を経て得られた触媒ペーストによって形成された燃料電池用触媒層は、上記の特徴を有することとなる。 According to the production method of the present invention, the concentration of water in the polymer electrolyte solution is 10% or less in the water removal step. For this reason, this polymer electrolyte solution has the characteristics as described above. For this reason, the catalyst layer for fuel cells formed by the catalyst paste obtained through the stirring step has the above characteristics.
したがって、本発明の燃料電池用触媒層の製造方法によれば、電気化学的反応が円滑に行われる燃料電池用触媒層を得ることが可能となる。 Therefore, according to the method for producing a fuel cell catalyst layer of the present invention, it is possible to obtain a fuel cell catalyst layer in which an electrochemical reaction is smoothly performed.
以下、本発明を具体化した実施例及び実験例1、2を図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, examples and experimental examples 1 and 2 embodying the present invention will be described with reference to the drawings.
(実験例1)
図4に示す実施例のカソード触媒層93aとアノード触媒層92a及びこれらの各触媒層93a、92aを有するMEA90を製造するに当たって、まず、以下の実験を行った。実験例1では、構成及び製造工程の異なる6種類の高分子電解質溶液を用意し、各高分子電解質溶液の粘度を測定した。なお、実施例及び実験例1で用いた高分子電解質溶液はいずれもアイオノマー溶液である。
(Experimental example 1)
In manufacturing the
(サンプルAの製造)
サンプルAの高分子電解質溶液の製造に当たっては、まず、プレ溶液としてDE2020(Du pont社製)を用意した。そして、10gのDE2020を容器に取り、図2の(A)に示すように、85°Cで湯煎し、DE2020中の溶媒である水及びノルマルプロピルアルコール(NPA)を蒸発させた。この湯煎により、DE2020中における水及びNPAの含有量をいずれも2gまで低減させた。これにより、DE2020中の水及びNPAの含有量は、サンプルAの高分子電解質溶液中の濃度に換算して5%に相当する量となる。
(Production of sample A)
In producing the polymer electrolyte solution of Sample A, first, DE2020 (manufactured by DuPont) was prepared as a pre-solution. Then, 10 g of DE2020 was placed in a container and boiled at 85 ° C. as shown in FIG. 2A to evaporate water and normal propyl alcohol (NPA), which are solvents in DE2020. With this hot water bath, the content of water and NPA in DE2020 was reduced to 2 g. Thereby, the content of water and NPA in DE 2020 is equivalent to 5% in terms of the concentration in the polymer electrolyte solution of sample A.
次に、湯煎後のDE2020に6.8gの水を混合し(図2の(B)参照)、自転/公転式遠心攪拌機35によって3分間の攪拌を行った(図2の(C)参照)。なお、自転/公転式遠心攪拌機35として、キーエンス社製の「ハイブリッドミキサーHM−500」を採用した。
Next, 6.8 g of water was mixed with DE 2020 after the hot water bath (see FIG. 2B), and stirred for 3 minutes by the rotation / revolution centrifugal stirrer 35 (see FIG. 2C). . Note that “Hybrid Mixer HM-500” manufactured by Keyence Corporation was adopted as the rotation / revolution
次に、図2の(D)に示すように、DE2020と水との混合物に対し、7.2gのNPAを混合した。その後、自転/公転式遠心攪拌機35によって攪拌した(図2の(E)参照)。こうして得られたDE2020と水とNPAとの混合物に対し、図2の(F)に示すように、有機溶媒としてのIPAを20g混合した。そして、自転/公転式遠心攪拌機35よって攪拌を行い(図2の(G)参照)、サンプルAの高分子電解質溶液を得た(図2の(H)参照)。 Next, as shown in FIG. 2D, 7.2 g of NPA was mixed with the mixture of DE2020 and water. Then, it stirred with the autorotation / revolution type centrifugal stirrer 35 (refer (E) of FIG. 2). As shown in FIG. 2F, 20 g of IPA as an organic solvent was mixed with the mixture of DE2020 thus obtained and water and NPA. And it stirred with the autorotation / revolution type | formula centrifugal stirrer 35 (refer (G) of FIG. 2), and obtained the polymer electrolyte solution of the sample A (refer (H) of FIG. 2).
(サンプルBの製造)
サンプルBの高分子電解質溶液の製造に当たっては、サンプルAの高分子電解質溶液の製造の場合と同様、10gのDE2020を85°Cで湯煎し、DE2020中における水及びNPAの含有量をいずれも2gまで低減させた。これにより、DE2020中の水及びNPAの含有量は、サンプルBの高分子電解質溶液中の濃度に換算して5%に相当する量となる。
(Production of sample B)
In the production of the polyelectrolyte solution of sample B, 10 g of DE2020 was boiled at 85 ° C. as in the production of the polyelectrolyte solution of sample A, and the content of water and NPA in DE2020 was 2 g. Reduced to. Thereby, the content of water and NPA in DE2020 is equivalent to 5% in terms of the concentration in the polymer electrolyte solution of sample B.
次に、湯煎後のDE2020に20gのIPAを混合し、自転/公転式遠心攪拌機35によって3分間攪拌を行った。このDE2020とIPAとの混合物に対し、7.2gのNPAを混合し、自転/公転式遠心攪拌機35によって攪拌した。こうして得られたDE2020とIPAとNPAとの混合物に対し、6.8gの水を混合した。そして、自転/公転式遠心攪拌機35によって攪拌を行い、サンプルBの高分子電解質溶液を得た。
Next, 20 g of IPA was mixed with DE 2020 after the hot water bath, and the mixture was stirred for 3 minutes by the rotation / revolution
(サンプルCの製造)
サンプルCの高分子電解質溶液の製造に当たっては、10gのDE2020に20gのIPAを混合し、自転//公転式遠心攪拌機35によって3分間攪拌した。その後、このDE2020とIPAとの混合物に対し、4.7gのNPAを混合し、自転/公転式遠心攪拌機35によって攪拌した。こうして得られたDE2020とIPAとNPAとの混合物に対し5.3gの水を混合した。そして、自転/公転式遠心攪拌機35によって攪拌を行い、サンプルCの高分子電解質溶液を得た。サンプルCの高分子電解質溶液の製造においては、湯煎を行っていないため、DE2020中の水の含有量は、サンプルCの高分子電解質溶液中の濃度に換算して約9%に相当する量となる。また、DE2020中のNPAの含有量は、サンプルCの高分子電解質溶液中の濃度に換算して約11%に相当する量となる。
(Production of sample C)
In the production of the polymer electrolyte solution of Sample C, 10 g of DE2020 was mixed with 20 g of IPA, and the mixture was stirred for 3 minutes by the rotation / revolution
(サンプルDの製造)
サンプルDの高分子電解質溶液の製造においても、10gのDE2020を85°Cで湯煎し、DE2020中における水及びNPAの含有量をいずれも2gまで低減させた。これにより、DE2020中の水及びNPAの含有量は、サンプルDの高分子電解質溶液中の濃度に換算して5%に相当する量となる。次に、このDE2020に34gのNPAを混合し、自転/公転式遠心攪拌機35によって3分間攪拌を行った。こうして、サンプルDの高分子電解質溶液を得た。
(Production of sample D)
Also in the production of the polymer electrolyte solution of Sample D, 10 g of DE2020 was boiled at 85 ° C., and the contents of water and NPA in DE2020 were both reduced to 2 g. Thereby, the content of water and NPA in DE2020 is equivalent to 5% in terms of the concentration in the polymer electrolyte solution of sample D. Next, 34 g of NPA was mixed with this DE2020, and stirred for 3 minutes by a rotation / revolution
(サンプルEの製造)
サンプルEの高分子電解質溶液の製造においても、10gのDE2020を85°Cで湯煎し、DE2020中における水及びNPAの含有量をいずれも2gまで低減させた。これにより、DE2020中の水及びNPAの含有量は、サンプルEの高分子電解質溶液中の濃度に換算して5%に相当する量となる。次に、このDE2020に34gのIPAを混合し、自転/公転式遠心攪拌機35によって3分間攪拌を行った。こうして、サンプルEの高分子電解質溶液を得た。
(Manufacture of sample E)
Also in the production of the polymer electrolyte solution of Sample E, 10 g of DE2020 was boiled at 85 ° C., and the contents of water and NPA in DE2020 were both reduced to 2 g. Thereby, the content of water and NPA in DE2020 is an amount corresponding to 5% in terms of the concentration in the polymer electrolyte solution of sample E. Next, 34 g of IPA was mixed with DE2020, and the mixture was stirred for 3 minutes by a rotation / revolution
(サンプルFの製造)
サンプルFの高分子電解質溶液の製造においても、10gのDE2020を85°Cで湯煎し、DE2020中における水及びNPAの含有量をいずれも2gまで低減させた。これにより、DE2020中の水及びNPAの含有量は、サンプルEの高分子電解質溶液中の濃度に換算して5%に相当する量となる。次に、このDE2020に34gのIPA:TBA=1:1溶液を混合し、自転/公転式遠心攪拌機35によって3分間攪拌を行った。こうして、サンプルFの高分子電解質溶液を得た。
(Manufacture of sample F)
Also in the production of the polymer electrolyte solution of Sample F, 10 g of DE2020 was boiled at 85 ° C., and the contents of water and NPA in DE2020 were both reduced to 2 g. Thereby, the content of water and NPA in DE2020 is an amount corresponding to 5% in terms of the concentration in the polymer electrolyte solution of sample E. Next, 34 g of IPA: TBA = 1: 1 solution was mixed with this DE2020, and the mixture was stirred for 3 minutes by the rotation / revolution
これら各サンプルA〜Fの高分子電解質溶液について、20°Cにおける粘度を測定した。測定結果を表1に示す。なお、表1では、サンプルAの粘度を基準として、各サンプルB〜FのサンプルAに対する粘度比を表している。また、表1では、各サンプルA〜Fの高分子電解質溶液における高分子電解質の固形分、IPA、NPA、H2O、TBAの各組成割合と、溶媒の添加順番とを併せて表記している。
表1に示すように、サンプルA〜Cの各高分子電解質溶液は、同一の組成割合であるにもかかわらず、粘度に差が生じた。これにより、DE2020に対して混合される溶媒の順序が粘度の変化に関係することが判明した。より詳細には、サンプルAの高分子電解質溶液とサンプルB、Cの高分子電解質溶液との比較により、DE2020に対し、最初に水を混合することで粘度が低下することが明らかとなった。また、サンプルBの高分子電解質溶液とサンプルCの高分子電解質溶液との比較により、IPAを混合する前、すなわちプレ溶液であるDE2020中の水及びNPAの割合が大きいほど、高分子電解質溶液の粘度が低下することが明らかとなった。 As shown in Table 1, the polymer electrolyte solutions of Samples A to C had different viscosities despite the same composition ratio. Thus, it was found that the order of the solvent mixed with DE2020 is related to the change in viscosity. More specifically, a comparison between the polymer electrolyte solution of sample A and the polymer electrolyte solutions of samples B and C revealed that the viscosity is lowered by first mixing water with DE2020. Further, by comparing the polymer electrolyte solution of sample B and the polymer electrolyte solution of sample C, before the IPA is mixed, that is, as the proportion of water and NPA in the pre-solution DE2020 is larger, the polymer electrolyte solution It became clear that the viscosity decreased.
さらに、サンプルDの高分子電解質溶液における測定結果より、DE2020に対し、NPAのみを混合した場合には、粘度が低下することが判明した。一方、サンプルE及びサンプルFの高分子電解質溶液における測定結果より、DE2020に対し、IPAを混合した場合と、IPA及びTBAを混合した場合とには、粘度が高くなることが判明した。高分子電解質溶液中における水の割合、すなわち水の濃度が低いほど粘度は高くなることから、サンプルE及びサンプルFの高分子電解質溶液中の高分子電解質82は、図1に示すように、主鎖100と側鎖101とが解れた状態にあると考えられる。すなわち、IPAと、IPA及びTBAとは、高分子電解質溶液中の高分子電解質82の固形分を解す効果を有し、反対に、水やNPAは、高分子電解質溶液中の高分子電解質82の固形分を凝集させる効果を有すると推察できる。そして、NPAは高分子電解質溶液中の高分子電解質82の固形分を凝集させる効果が高いと推察できる。
Furthermore, from the measurement results of the polymer electrolyte solution of sample D, it was found that when only NPA was mixed with DE2020, the viscosity decreased. On the other hand, from the measurement results of the polymer electrolyte solutions of Sample E and Sample F, it has been found that the viscosity increases when IPA is mixed with DE2020 and when IPA and TBA are mixed. Since the ratio of water in the polymer electrolyte solution, that is, the lower the water concentration, the higher the viscosity, the
このように、NPA、エタノール等の第1級アルコール及び水は、高分子電解質を凝集させる効果があり、IPAの様な第2級アルコール及びTBAの様な第3級アルコールは、高分子電解質を解す効果があると推察できる。第2級アルコール及び第3級アルコールの上記効果は誘電率に由来すると考えられ、誘電率20以下の溶媒は高分子電解質の凝集を解す効果が高いと推察できる。 Thus, primary alcohols such as NPA and ethanol and water have the effect of aggregating the polymer electrolyte, and secondary alcohols such as IPA and tertiary alcohols such as TBA are effective for polymer electrolytes. It can be inferred that there is an effect to understand. The effects of the secondary alcohol and the tertiary alcohol are considered to be derived from the dielectric constant, and it can be inferred that a solvent having a dielectric constant of 20 or less has a high effect of deaggregating the polymer electrolyte.
(実施例)
〈カソード触媒層93a及びアノード触媒層92aの製造〉
上記の実験結果に基づき、図4に示す実施例のMEA90を製造した。このMEA90のカソード極93は、上記のとおり、燃料電池用触媒層としてのカソード触媒層93aと、ガス拡散層基材で構成されたカソード拡散層93bとで構成されている。
(Example)
<Manufacture of
Based on the above experimental results, the
まず、カソード触媒層93aを構成する触媒ペースト42を製造する。この触媒ペースト42の製造に当たっては、まず、カーボンからなる担体81aに触媒金属微粒子82としてのPt微粒子を担持密度50wt%で担持した触媒81を用意した。そして、1gの触媒81に対して5gの割合となる水量で触媒81と水とを混合し、ハイブリットミキサー35によって攪拌し、プレペースト40を得た(図3の(A)参照)。
First, the
次に、このプレペースト40と混合する高分子電解質溶液41を用意した。この高分子電解質溶液41の構成は、上記の実験例1においてサンプルEとして製造した高分子電解質溶液と同様である。つまり、この高分子電解質溶液41では水の濃度が5%となっている。なお、この高分子電解質溶液41を得るに当たって行われた湯煎、すなわち、サンプルEの高分子電解質溶液の製造における湯煎が、本発明の燃料電池用触媒層の製造装置における水除去手段及び本発明の燃料電池用触媒層の製造方法における水除去工程に相当する。
Next, a
そして、上記のプレペースト40に対して10gの高分子電解質溶液41を混合し、図3の(B)に示すように、ハイブリットミキサー35によって攪拌した。こうして、触媒ペースト42を製造した(図3の(C)参照)。なお、このハイブリットミキサー35が本発明の燃料電池用触媒層の製造装置における撹拌手段に相当する。また、このハイブリットミキサー35による撹拌が本発明の燃料電池用触媒層の製造方法における撹拌工程に相当する。
Then, 10 g of the
上記の触媒ペースト42を基材93bに塗布し、カソード触媒層93aを形成した。基材93bは、PTFEで撥水処理を行ったカーボンブラックと、電子伝導性を有する基材としてのカーボンクロスとを積層することで得られている。なお、カーボンペーパー等の上に、カーボンブラックとPTFEとの混合物からなる撥水層を設けて基材93bを採用することもできる。また、触媒ペースト41を基材93bへ塗布する方法としては、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の手段を採用することができる。
The
この基材93b上のカソード触媒層93aが乾燥することにより、カソード極93が得られる。また、アノード触媒層92a及びアノード極92も同様の工程によって得られている。
A
〈MEA90の製造〉
そして、アノード極92、電解質膜(ナフィオン膜:NR211)91及びカソード極93の順でこれらを積層し、140°C、加圧力40kgf/cm2でホットプレスして接合した。こうしてMEA90を製造した。
<Manufacture of MEA90>
Then, the
このMEA90では、カソード触媒層93a及びアノード触媒層92aを構成する触媒ペースト42の製造において、高分子電解質溶液41中の水の濃度が5%の高分子電解質溶液41とプレペースト40とを混合している。図3の(A)に示すように、この高分子電解質溶液41中では、高分子電解質82の固形分が解れた状態となっていると考えられる。また、このように解れた状態の高分子電解質82の固形分では、主鎖100が一方向に延びる状態となると考えられる。このため、図3の(C)に示すように、スルホン基がプレペースト40中の水と吸着することとなる。このため、この触媒ペースト42によって得られたカソード触媒層93a及びアノード触媒層92aでは、図6に示すように、触媒81の表面に配向した状態で高分子電解質82の層が形成される。そして、上記のようにスルホン基がプレペースト40中の水と吸着することで、カソード触媒層93a及びアノード触媒層92aでは、図6に示すように、触媒81上に親水層83が形成されるように、高分子電解質82の側鎖101の親水性官能基が触媒81側に配向している(PFF構造)状態となっていると考えられる。このため、この製造方法によって得られたカソード触媒層93a及びアノード触媒層92aでは、図5に示すようにプロトン及び水が移動し易く、電気化学的反応が円滑に進行される。このため、上記のようにして得られたカソード触媒層93a及びアノード触媒層92aを有するMEA90では、低加湿状態及び過加湿状態のいずれであっても、発電能力を高くすること可能となる。
In this
したがって、この実施例の製造方法によれば、電気化学的反応が円滑に行われるカソード触媒層93a及びアノード触媒層92aを得ることが可能であり、ひいては、電気化学的反応が円滑に行われるMEA90を得ることが可能である。
Therefore, according to the manufacturing method of this embodiment, it is possible to obtain the
(実験例2)
次に、実施例において得られたMEA90の電圧特性を把握するため、MEA90を備えたセルと、以下に示す比較例1、2のMEAを備えたセルとで実験による検証を行った。なお、セルの構成及び製造方法は公知の構成及び方法と同様である。
(Experimental example 2)
Next, in order to grasp the voltage characteristics of the
(比較例1)
比較例1のMEAは、プレペースト40と、上記の実験例1におけるサンプルAの高分子電解質溶液(水の濃度が22%)とを混合して得られた触媒ペーストによって、カソード触媒層及びアノード触媒層が構成されている。他の構成及び製造方法は実施例と同様である。
(Comparative Example 1)
The MEA of Comparative Example 1 is composed of the cathode catalyst layer and the anode by the catalyst paste obtained by mixing the pre-paste 40 and the polymer electrolyte solution of Sample A in the above Experimental Example 1 (water concentration is 22%). A catalyst layer is formed. Other configurations and manufacturing methods are the same as those in the example.
(比較例2)
比較例2のMEAは、プレペースト40と、上記の実験例1におけるサンプルBの高分子電解質溶液(水の濃度が22%)とを混合して得られた触媒ペーストによって、カソード触媒層及びアノード触媒層が構成されている。他の構成及び製造方法は実施例と同様である。
(Comparative Example 2)
The MEA of Comparative Example 2 is composed of the cathode catalyst layer and the anode by the catalyst paste obtained by mixing the pre-paste 40 and the polymer electrolyte solution of Sample B in the above Experimental Example 1 (water concentration is 22%). A catalyst layer is formed. Other configurations and manufacturing methods are the same as those in the example.
この実験例2では、MEA1を備えたセル及び比較例1、2のMEAを備えたセルそれぞれのセル温度を50°Cに設定し、湿度が100%測定環境の下、アノード極92に水素を、カソード極93に空気を流した場合の、各セルの電流及び電圧の変化を測定した。測定結果を図7に示す。
In this Experimental Example 2, the cell temperature of each of the cell equipped with the MEA 1 and the cell equipped with the MEA of Comparative Examples 1 and 2 was set to 50 ° C., and hydrogen was supplied to the
図7では、横軸にセルの電流密度(A/cm2)を示し、縦軸にセル電圧(V)を示している。図7に示されるように、電圧が低下した際の電流密度の低下は、実施例のMEA90を備えたセルが最も小さい。つまり、実施例のMEA90が最も発電能力が高いといえる。
In FIG. 7, the horizontal axis represents the cell current density (A / cm 2 ), and the vertical axis represents the cell voltage (V). As shown in FIG. 7, the decrease in current density when the voltage decreases is the smallest in the cell including the
そして、この実験結果により、高分子電解質溶液の粘度が高いほど、MEAの発電能力が高くなる、すなわち、電気化学的反応が円滑に行われることが明らかとなった。さらに、比較例1と比較例2との対比により、高分子電解質溶液中の水の濃度同じであっても、高分子電解質溶液の粘度が大きいほど、MEAの発電能力が高くなる傾向にあることが判明した。つまり、高分子電解質溶液に混合する溶媒の混合順序に違いによって、MEAの発電能力が変化することが明らかとなった。 As a result of this experiment, it was found that the higher the viscosity of the polymer electrolyte solution, the higher the power generation capacity of the MEA, that is, the smoother the electrochemical reaction. Further, according to the comparison between Comparative Example 1 and Comparative Example 2, even when the concentration of water in the polymer electrolyte solution is the same, the power generation capacity of the MEA tends to increase as the viscosity of the polymer electrolyte solution increases. There was found. That is, it became clear that the power generation capability of the MEA changes depending on the mixing order of the solvents mixed in the polymer electrolyte solution.
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。 While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit thereof.
本発明は、電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。 The present invention can be used for a moving power source for an electric vehicle or the like, or a stationary power source.
42…触媒ペースト
92a、93a…触媒層(92a…アノード触媒層、93a…カソード触媒層)
101…側鎖
82…高分子電解質
41…高分子電解質溶液
81…触媒
40…プレペースト
42 ...
DESCRIPTION OF
Claims (7)
親水性官能基をもつ側鎖を有する高分子電解質が溶媒に溶解されたプレ溶液の水の濃度を所定値以下まで減らし、高分子電解質溶液を得る水除去手段と、
触媒と前記水とが混合されて得られたプレペーストと、該高分子電解質溶液とを混合して、前記触媒ペーストを得る撹拌手段とを備えていることを特徴とする燃料電池用触媒層の製造装置。 In a fuel cell catalyst layer manufacturing apparatus for forming a catalyst layer with a catalyst paste,
Water removing means for reducing the concentration of water in the pre-solution in which the polymer electrolyte having a side chain having a hydrophilic functional group is dissolved in a solvent to a predetermined value or less, and obtaining a polymer electrolyte solution;
A catalyst layer for a fuel cell, comprising: a pre-paste obtained by mixing a catalyst and water; and a stirring means for mixing the polymer electrolyte solution to obtain the catalyst paste. Manufacturing equipment.
該プレ溶液から少なくとも水を10%以下の濃度まで減らし、高分子電解質溶液を得る溶液調製工程とからなることを特徴とする高分子電解質溶液の製造方法。 A pre-solution preparation step of preparing a pre-solution in which a polymer electrolyte having a side chain having a hydrophilic functional group is dissolved in a solvent;
A method for producing a polymer electrolyte solution, comprising: a solution preparation step in which at least water is reduced from the pre-solution to a concentration of 10% or less to obtain a polymer electrolyte solution.
親水性官能基をもつ側鎖を有する高分子電解質が溶媒に溶解されたプレ溶液の水の濃度を10%以下まで減らし、高分子電解質溶液を得る水除去工程と、
触媒と前記水とを混合し、プレペーストを製造するプレペースト調製工程と、
前記プレペーストに前記高分子電解質溶液を混合し、触媒ペーストを得る撹拌工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用触媒層の製造方法。 In the method for producing a catalyst layer for a fuel cell, in which the catalyst layer is formed by a catalyst paste,
A water removal step of reducing the concentration of water in the pre-solution in which the polymer electrolyte having a side chain having a hydrophilic functional group is dissolved in a solvent to 10% or less to obtain a polymer electrolyte solution;
A pre-paste preparation step of mixing the catalyst and the water to produce a pre-paste;
A method for producing a fuel cell catalyst layer, comprising: mixing the polymer electrolyte solution with the pre-paste to obtain a catalyst paste.
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