JP2011198467A - Catalyst electrode, fuel cell, equipment, and manufacturing method of catalyst electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒電極、燃料電池、機器、および、触媒電極の製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst electrode, a fuel cell, a device, and a method for manufacturing the catalyst electrode.
燃料電池は、水素やメタノールを燃料とし、空気中の酸素と化学反応して生じるエネルギーを電気エネルギーとして取り出す電気化学エネルギーデバイスである。このような燃料電池は、Liイオン電池などの2次電池よりも高い理論エネルギー容量を持ち、自動車車載用電源、家庭や工場などの定置式分散電源、あるいは、携帯電子機器用の電源などとして利用することができる。 A fuel cell is an electrochemical energy device that uses hydrogen or methanol as fuel and extracts energy generated by a chemical reaction with oxygen in the air as electric energy. Such a fuel cell has a higher theoretical energy capacity than a secondary battery such as a Li-ion battery, and is used as a power source for automobiles, a stationary distributed power source for homes and factories, or a power source for portable electronic devices. can do.
燃料電池では、例えば燃料極に水素が供給され、この燃料極側で供給された水素を酸化する電気化学反応が起こる。なお、水素酸化反応は、比較的低温では進行しにくい反応であり、一般的には、白金(Pt)などの貴金属触媒により反応を促進させる。 In the fuel cell, for example, hydrogen is supplied to the fuel electrode, and an electrochemical reaction occurs that oxidizes the hydrogen supplied on the fuel electrode side. The hydrogen oxidation reaction is difficult to proceed at a relatively low temperature and is generally promoted by a noble metal catalyst such as platinum (Pt).
ここで、燃料電池は、低電流状態で用いられる時は、燃料極、空気極ともに平衡電位に近い状態を保ちながら安定した状態で発電を行うことが可能である。しかし、燃料電池を動力源として用いている機器の起動時、または、高電流出力運転時などには、過電圧にともない電圧が低下すると同時に、燃料極、空気極ともに、反応物の供給が一時的に追いつかず、急激な電圧降下により、不安定な電力供給状態を招くことがある。そして、このような不安定な電池動作により、電池の劣化が促進されるという問題がある。 Here, when the fuel cell is used in a low current state, the fuel cell and the air electrode can generate power in a stable state while maintaining a state close to the equilibrium potential. However, when starting up a device that uses a fuel cell as a power source or during high-current output operation, the voltage drops due to overvoltage, and at the same time, the reactants are temporarily supplied to both the fuel electrode and the air electrode. In some cases, an unstable power supply state may be caused by a rapid voltage drop. And there exists a problem that deterioration of a battery is accelerated | stimulated by such unstable battery operation | movement.
ここで、特許文献1および2には、水素を可逆的に貯蔵または放出することができる金属水素化物を含んだ電極、および、この電極を燃料極とした燃料電池が開示されている。また、特許文献2には、この金属水素化物の粒径を0.05〜1μmとすることが記載されている。そして、このような粒子径にすれば、金属水素化物の粒子径を他の電極層構成成分粒子と同程度とすることができるので、電極層内に均一に分布させやすくなると記載されている。
Here,
特許文献1および2に記載の技術の場合、適用される金属水素化物に比較的粒径が大きいものが含まれている。すなわち、電極に含まれている金属水素化物の表面積を十分な大きさとできない構成を含む。このような構成の場合、金属水素化物は十分な量の水素を吸蔵および放出することができず、結果、燃料電池の動作は不安定となり、電池の劣化が促進されてしまう。
In the case of the techniques described in
このような背景を踏まえて、本発明の目的は、燃料電池の電気化学エネルギーデバイスの一時的な高出力運転時の不安定動作を改善する機構を付与するものである。 In view of such a background, an object of the present invention is to provide a mechanism for improving unstable operation during temporary high-power operation of an electrochemical energy device of a fuel cell.
本発明によれば、水素酸化反応を促進する触媒を担持した電気伝導体と、高水素分圧下で水素を吸蔵し、かつ、低水素分圧下では水素を放出する性能を持つ平均粒径400nm以下の金属水素化物と、を含む触媒層を有する触媒電極が提供される。 According to the present invention, an electric conductor carrying a catalyst for promoting a hydrogen oxidation reaction, and an average particle size of 400 nm or less having the ability to occlude hydrogen under a high hydrogen partial pressure and release hydrogen under a low hydrogen partial pressure. And a catalyst electrode having a catalyst layer containing the metal hydride.
また、本発明によれば、上記触媒電極を燃料極として用いる燃料電池が提供される。 The present invention also provides a fuel cell using the catalyst electrode as a fuel electrode.
また、本発明によれば、上記燃料電池を動力源として用いる機器が提供される。 Moreover, according to this invention, the apparatus which uses the said fuel cell as a motive power source is provided.
また、本発明によれば、拡散層を準備する拡散層準備工程と、水素酸化反応を促進する触媒を担持した電気伝導体と、高水素分圧下で水素を吸蔵し、かつ、低水素分圧下では水素を放出する性能を持つ金属水素化物と、を混合した混合物を作成後、前記混合物を分散液中に分散する分散液製造工程と、前記混合物を分散した前記分散液を前記拡散層の第1の面上に塗布後、乾燥する塗布乾燥工程と、を有する触媒電極の製造方法が提供される。 Further, according to the present invention, a diffusion layer preparation step for preparing a diffusion layer, an electric conductor carrying a catalyst for promoting a hydrogen oxidation reaction, occlusion of hydrogen under a high hydrogen partial pressure, and a low hydrogen partial pressure Then, after preparing a mixture in which a metal hydride capable of releasing hydrogen is mixed, a dispersion manufacturing process for dispersing the mixture in a dispersion, and the dispersion in which the mixture is dispersed are added to the first layer of the diffusion layer. There is provided a method for producing a catalyst electrode comprising: a coating drying step of drying after coating on one surface.
すなわち、本発明では触媒電極上に、より詳細には触媒電極が有する触媒層に、高水素分圧下で水素を吸蔵し、かつ、低水素分圧下では水素を放出する性能を持つ金属水素化物を備える。 That is, in the present invention, a metal hydride having the capability of occluding hydrogen under a high hydrogen partial pressure and releasing hydrogen under a low hydrogen partial pressure on the catalyst electrode, more specifically, in the catalyst layer of the catalyst electrode. Prepare.
触媒層とは、水素酸化反応を促進する触媒により構成される層であり、その構成形態は特段制限されないが、例えば、以下の実施形態で説明するように、カーボンクロスやカーボンペーパーなどで構成されるガス拡散層の表面に、触媒を担持した電気伝導体(カーボン粒子など)を付着することで構成した層であってもよい。または、シート状の電気伝導体(カーボンシートなど)の表面に触媒を担持させることで構成した層であってもよい。 The catalyst layer is a layer composed of a catalyst that promotes the hydrogen oxidation reaction, and the configuration form is not particularly limited.For example, as described in the following embodiment, the catalyst layer is composed of carbon cloth, carbon paper, or the like. It may be a layer constituted by attaching an electric conductor (carbon particles or the like) carrying a catalyst to the surface of the gas diffusion layer. Or the layer comprised by carrying | supporting a catalyst on the surface of a sheet-like electrical conductor (carbon sheet etc.) may be sufficient.
本発明の金属水素化物は、上述のような触媒層の表面に付着してもよいし、または、上述の本発明の触媒電極の製造方法で実現されるように、触媒などの材料と同一層上に設けられてもよい。 The metal hydride of the present invention may adhere to the surface of the catalyst layer as described above, or the same layer as the material of the catalyst or the like as realized by the method of manufacturing the catalyst electrode of the present invention described above. It may be provided above.
このような本発明によれば、燃料極(触媒電極)上の水素分圧が高い状態である間は、金属水素化物が水素を十分に吸収する。一方、燃料極(触媒電極)上の水素分圧が低い状態である間は、金属水素化物が水素を放出する。 According to the present invention as described above, the metal hydride sufficiently absorbs hydrogen while the hydrogen partial pressure on the fuel electrode (catalyst electrode) is high. On the other hand, the metal hydride releases hydrogen while the hydrogen partial pressure on the fuel electrode (catalyst electrode) is low.
そして、本発明では、金属水素化物の平均粒径を400nm以下とすることで金属水素化物の表面積を十分に大きくしているので、金属水素化物は、燃料極上で安定した水素酸化反応が行われために十分な量の水素を吸蔵および放出することができる。その結果、本発明では、安定した発電を継続することが可能となる。 In the present invention, since the surface area of the metal hydride is sufficiently increased by setting the average particle size of the metal hydride to 400 nm or less, the metal hydride undergoes a stable hydrogen oxidation reaction on the fuel electrode. Therefore, a sufficient amount of hydrogen can be occluded and released. As a result, in the present invention, stable power generation can be continued.
なお、本発明では、燃料極(触媒電極)上の水素分圧が低い状態から高い状態に移ると、金属水素化物は、再び水素を吸蔵することとなる。すなわち、燃料極(触媒電極)上の水素分圧の安定化は、能動的かつ継続的に実現される。 In the present invention, when the hydrogen partial pressure on the fuel electrode (catalyst electrode) shifts from a low state to a high state, the metal hydride occludes hydrogen again. That is, stabilization of the hydrogen partial pressure on the fuel electrode (catalyst electrode) is realized actively and continuously.
本発明によれば、燃料電池の電気化学エネルギーデバイスの一時的な高出力運転時の不安定動作を改善することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the unstable operation | movement at the time of the temporary high output driving | operation of the electrochemical energy device of a fuel cell can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
図1は本実施形態の燃料電池1の一例を模式的に示す断面図である。図に示すように、本実施形態の燃料電池1は、燃料極10と、高分子電解質膜20と、空気極30と、を有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the
まず、本実施形態の燃料電池1の概要について説明する。
First, an outline of the
燃料極10には、図示しない水素供給機構により水素が供給され、燃料極10上で水素酸化反応が起き、水素イオンと電子が発生する。高分子電解質膜20は、燃料極10で発生した水素イオンを、空気極30に移動する。空気極30では、高分子電解質膜20から受取った水素イオン、図示しない外部機構を経て燃料極10から移動してきた電子、および、酸素(例えば空気中の酸素)が反応して、水を生成する。
Hydrogen is supplied to the
ここで、図示した空気極30は、触媒層31と、触媒層31に接するガス拡散層32と、を有するが、ガス拡散層32を有さない構成とすることも可能である。また、電解液は、酸性溶液、アルカリ溶液、中性溶液のいかなる性質をもつものでも使用することが可能である。すなわち、本実施形態において空気極30および高分子電解質膜20の構成は従来技術を利用したあらゆる形態とすることができる。よって、ここでの説明は省略する。
Here, the illustrated
次に、本実施形態の燃料極10の構成について説明する。
Next, the configuration of the
燃料極10は、触媒層11を有する。なお、触媒層11と接する水素拡散層12をさらに有してもよい。水素拡散層12は従来技術を利用したあらゆる形態とすることができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどで構成してもよい。
The
触媒層11は、図1に示すように、触媒13を担持した電気伝導体15と、金属水素化物14と、を含む。なお、図1に示す拡大図は、触媒層11の平面、すなわち水素拡散層12と接する面における拡大図である。
As shown in FIG. 1, the
金属水素化物14は、高水素分圧下で水素を吸蔵し、かつ、低水素分圧下では水素を放出する性能を持ち、平均粒径は400nm以下である。なお、金属水素化物14の平均粒径は好ましくは100nm以下、さらに好ましくは50nm以下とすることができる。
The
このような金属水素化物14としては、例えば、以下の(1)から(4)のいずれかに示す金属水素化物とすることができる。
As such a
(1)AB5型合金の水素化物(Aは、希土類元素(La、Pr、Ce、Ndなど)、未精製の希土類元素(ミッシュメタル;Mm)、または、X1 n1X2 n2・・・Xm nm(X1乃至Xmは希土類元素、n1+n2+・・・+nm=1)。Bは、Ni。)、
上記AB5型合金のAの一部がMg、CaおよびTiの中のいずれか1つ以上で置き換わったものの水素化物、または、
上記AB5型合金のBの一部がAl、Cr、MnおよびCoの中のいずれか1つ以上で置き換わったものの水素化物。
(1) Hydride of AB type 5 alloy (A is rare earth element (La, Pr, Ce, Nd, etc.), unrefined rare earth element (Misch metal; Mm), or X 1 n1 X 2 n2 ... X m nm (X 1 to X m are rare earth elements, n1 + n2 +... + Nm = 1). B is Ni.),
A hydride in which a part of A in the AB type 5 alloy is replaced with one or more of Mg, Ca and Ti, or
A hydride obtained by replacing a part of B in the AB type 5 alloy with one or more of Al, Cr, Mn, and Co.
(2)AB2型合金の水素化物(Aは、Ti、Zr、または、Tin1Zrn2(n1+n2=1)。Bは、Cr、Mn、V、Ni、または、Crn1Mnn2Vn3Nin4(n1+n2+n3+n4=2)。)、または、
上前記AB2型合金のBの一部がCoおよび/またはFeで置き換わったものの水素化物。
(2) Hydride of AB type 2 alloy (A is Ti, Zr, or Ti n1 Zr n2 (n1 + n2 = 1). B is Cr, Mn, V, Ni, or Cr n1 Mn n2 V n3 Ni n4 (n1 + n2 + n3 + n4 = 2)), or
The hydride obtained by replacing a part of B in the AB type 2 alloy with Co and / or Fe.
(3)AB型合金の水素化物(Aは、Ti。Bは、FeまたはCo。)、
上記AB型合金のAの一部が、Laおよび/またはVで置き換わったものの水素化物、または、
上記AB型合金のBの一部が、Mnで置き換わったものの水素化物。
(3) AB-type alloy hydride (A is Ti, B is Fe or Co),
A hydride in which part of A in the AB type alloy is replaced by La and / or V, or
A hydride in which part of B in the AB type alloy is replaced with Mn.
(4)Vの水素化物、または、Vの一部がTi、CrおよびMnの中のいずれか1つ以上で置き換わったものの水素化物。 (4) A hydride of V or a hydride in which a part of V is replaced by any one or more of Ti, Cr and Mn.
LaNi5をはじめとするAB5型希土類・Ni系合金は六方晶系のCaCu5型構造を持つ金属間化合物であり、母体結晶の構造と組成を大きく変化させること無く、可逆的に水素を吸蔵・放出する。また、水素の吸蔵量は水素分圧に応じて変化し、高水素分圧下では水素を吸蔵、低水素分圧下では水素を放出する。また、Aの希土類元素の構成要素を多元化することで水素化物が不安定化し、水素解離圧が高められる。また、BのNiの一部をAl、Cr、MnおよびCoの中のいずれか1つ以上で置き換えると、水素化物は安定化し、水素解離圧が低下する。また、Aの多元化、Niの一部置換化は耐酸化性、熱的安定性の向上につながる。 AB 5 type rare earth · Ni alloy, including LaNi 5 is an intermetallic compound having the CaCu 5 type structure of hexagonal, without significantly altering the structure and composition of the host crystal, reversibly store hydrogen ·discharge. Also, the amount of occluded hydrogen changes according to the hydrogen partial pressure, and occludes hydrogen under high hydrogen partial pressure and releases hydrogen under low hydrogen partial pressure. Further, by diversifying the constituent elements of the rare earth element of A, the hydride becomes unstable and the hydrogen dissociation pressure is increased. Further, when a part of Ni in B is replaced with any one or more of Al, Cr, Mn and Co, the hydride is stabilized and the hydrogen dissociation pressure is lowered. Also, the diversification of A and partial substitution of Ni lead to improvement in oxidation resistance and thermal stability.
TiCr2、ZrCr2、TiMn2、ZrMn2、ZrV2、ZrNi2等で表されるAB2型合金は六方晶系のラーベス相を有する金属間化合物であり、高水素分圧下で水素を吸蔵、低水素分圧下では水素を放出できる。また、吸蔵できる水素密度が高く、高容量化が可能である。また、Aの構成要素をTin1Zrn2(n1+n2=1)のように多元化したり、Bの構成要素をCrn1Mnn2Vn3Nin4(n1+n2+n3+n4=2)のように多元化したり、また、Bの一部をCoおよび/またはFeで置き換えた多元系化合物にすることで水素解離圧を調整でき、用途に合った水素解離圧に最適化できる。 AB 2 type alloy represented by TiCr 2 , ZrCr 2 , TiMn 2 , ZrMn 2 , ZrV 2 , ZrNi 2, etc. is an intermetallic compound having a hexagonal Laves phase and occludes hydrogen under a high hydrogen partial pressure. Hydrogen can be released under a low hydrogen partial pressure. Moreover, the hydrogen density which can be occluded is high and the capacity can be increased. In addition, the component of A is multinized as Ti n1 Zr n2 (n1 + n2 = 1), the component of B is multinated as Cr n1 Mn n2 V n3 Ni n4 (n1 + n2 + n3 + n4 = 2), A hydrogen dissociation pressure can be adjusted by using a multicomponent compound in which a part of B is replaced with Co and / or Fe, and can be optimized to a hydrogen dissociation pressure suitable for the application.
TiFe、TiCo等で表わされるAB型合金は比較的空隙の多い体心立方晶の金属間化合物で、水素分圧が高い状態では水素を吸収し、より水素濃度の高い水素化物が形成され、水素分圧が低い状態では水素を放出し、水素濃度の低い水素化物が形成される。また、Aの一部をLaおよび/またはVで置き換え、および/または、Bの一部をMnで置き換え多元化することで、水素濃度変化に対する水素解離圧の一定度(プラトー特性)が改善し、水素を一定の速度で放出する時に適当である。 The AB type alloy represented by TiFe, TiCo, etc. is a body-centered cubic intermetallic compound having a relatively large number of voids, which absorbs hydrogen when hydrogen partial pressure is high, and forms a hydride with a higher hydrogen concentration. In a state where the partial pressure is low, hydrogen is released and a hydride having a low hydrogen concentration is formed. In addition, by replacing a part of A with La and / or V and / or a part of B with Mn, the degree of hydrogen dissociation pressure with respect to changes in hydrogen concentration (plateau characteristics) is improved. Suitable for releasing hydrogen at a constant rate.
Vは水素と効率よく反応し水素化物(VH2)を形成する。水素密度が高く、高容量化が可能である。常温下、大気圧付近において水素分圧が高い状態では、水素を吸収し、より水素濃度の高い水素化物が形成され、水素分圧が低い状態では、水素を放出し、水素濃度の低い水素化物が形成される。Vの一部をTi、CrおよびMnの中のいずれか1つ以上で置き換えるとプラトー特性を改善させ、常温常圧下でより多くの水素を放出できる。 V reacts efficiently with hydrogen to form hydride (VH 2 ). The hydrogen density is high and the capacity can be increased. Under normal temperature and near atmospheric pressure, when hydrogen partial pressure is high, hydrogen is absorbed and hydride with higher hydrogen concentration is formed. When hydrogen partial pressure is low, hydrogen is released and hydride with low hydrogen concentration is formed. Is formed. Replacing a part of V with any one or more of Ti, Cr, and Mn can improve the plateau characteristics and release more hydrogen under normal temperature and normal pressure.
触媒13および電気伝導体15は従来技術を利用したあらゆる形態とすることができる。例えば、触媒13は水素酸化反応を促進するものであれば特段制限されず、白金触媒、または、白金合金触媒などであってもよい。また、電気伝導体15としては、例えば、カーボン粒子であってもよい。さらに、電気伝導体15に触媒13を担持させる手段についても同様に、従来技術を利用して実現することができる。
The
このような触媒13を担持した電気伝導体15、および、金属水素化物14は、触媒層11の平面方向全体に均一に分散しているのが望ましい。また、触媒層11における金属水素化物14の含有量は、20v%以下であることが望ましい。
It is desirable that the
次に、図1を用いて、本実施形態の燃料極10および燃料電池1の作用効果について説明する。
Next, the effect of the
まず、本実施形態の燃料電池1を動力源として用いている機器の運転状態が比較的低い低電流出力状態である場合を考える。かかる場合、水素供給機構(図示せず)から燃料極10上に供給された水素の量は所望の運転のために十分な量であるため、燃料極10上では高い水素分圧状態が維持される。本実施形態では、このような状態の際、金属水素化物14が水素を十分に吸収する。
First, consider a case where the operating state of a device using the
次に、本実施形態の燃料電池1を動力源として用いている機器の運転状態が高電流出力状態である場合を考える。かかる場合、水素供給機構(図示せず)から燃料極10上に供給された水素がある程度残存している間は、水素酸化を促進する触媒13上で、水素酸化反応が熱力学的平衡状態に近い状態で起こる。しかし、水素供給機構(図示せず)からの水素の供給が、燃料極10上での水素の消費に追い付かなくなると、電圧が下がり始めると同時に、低水素分圧状態になる。本実施形態では、このような状態の際、金属水素化物14が水素を放出する。すると、燃料極10上では、この放出された水素を利用した水素酸化反応が行われ、結果、発電が安定的に継続されることとなる。
Next, consider a case where the operating state of a device using the
なお、本実施形態では金属水素化物14の平均粒径を400nm以下、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下とすることで、金属水素化物14の表面積を十分に大きくしている。このため、金属水素化物14は、燃料極10上で安定した水素酸化反応が行われるために十分な量の水素を、吸蔵および放出することが可能である。かかる場合、安定した発電を継続することが可能となる。
In the present embodiment, the surface area of the
なお、本実施形態では、高電流出力状態での運転から、低電流出力状態での運転に戻り、水素供給機構(図示せず)から燃料極10上に供給される水素の量が所望の運転のために十分な量になると、燃料極10上は高い水素分圧状態となり、金属水素化物14は、再び水素を吸蔵することとなる。
In this embodiment, the operation in the high current output state is returned to the operation in the low current output state, and the amount of hydrogen supplied onto the
すなわち、高出力運転時の水素不足を補う効果は、能動的かつ継続的に利用することが可能である。 That is, the effect of compensating for the shortage of hydrogen during high-power operation can be used actively and continuously.
また、本実施形態では、(1)金属水素化物14の平均粒径を400nm以下、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下とする構成に、(2)触媒13を担持した電気伝導体15、および、金属水素化物14を触媒層11の平面方向全体に均一に分散する構成、および/または、(3)触媒層11における金属水素化物14の含有量を20v%以下とする構成、を組み合わせることで、触媒13および触媒13を担持した電気伝導体15の有効面積の減少を抑制するとともに、水素などの反応種の拡散が妨げられない構成を実現し、結果、燃料極10上での安定した水素酸化反応を実現することができる。
In the present embodiment, (1) the
なお、水素の放出、吸蔵能力は、各々の物質によって異なるため、金属水素化物14に用いる物質は、燃料極10の大きさ、燃料電池1を使用する機器の運転出力などに応じて選択することが可能である。
In addition, since the release | releasing and occlusion ability of hydrogen differ with each substance, the substance used for the
また、水素の吸蔵、あるいは、放出速度をコントロールするために、燃料極10に加熱冷却機構を追加してもよい。かかる場合、出力電流の増大と連動して金属水素化物14を含む燃料極10を加熱して、水素放出速度を速めることができ、逆に、出力電流の減少と連動して金属水素化物14を含む燃料極10を冷却して、水素の吸蔵を促すことができる。
Further, a heating / cooling mechanism may be added to the
このような作用効果を有する本実施形態の燃料極10を有する燃料電池1によれば、安定した発電を継続することが可能となるとともに、低水素分圧状態で運転することに起因して引き起こされる電極劣化を抑制することが可能となる。
According to the
また、このような本実施形態の場合、従来技術のように水素分圧を測定する装置を設置して水素分圧を検知し、別途水素供給装置を追加するような手段よりも省スペース化が可能であると同時に、余分な用力も不要であり、コスト削減の効果もある。 Further, in the case of the present embodiment as described above, a device for measuring the hydrogen partial pressure as in the prior art is installed to detect the hydrogen partial pressure, and a space saving can be achieved compared with a means of adding a separate hydrogen supply device. At the same time, there is no need for extra power and cost reduction.
ここで、本実施形態の燃料極10の製造方法は特段制限されないが、例えば、以下のような工程を有する製造方法であってもよい。
Here, the manufacturing method of the
(拡散層準備工程)拡散層(例:カーボンクロスやカーボンペーパーなど)を準備する。 (Diffusion layer preparation process) A diffusion layer (example: carbon cloth, carbon paper, etc.) is prepared.
(分散液製造工程)水素酸化反応を促進する触媒を担持した粒子状の電気伝導体と、高水素分圧下で水素を吸蔵し、かつ、低水素分圧下では水素を放出する性能を持つ平均粒子径が400nm以下の金属水素化物と、を混合した混合物を作成後、混合物を分散液中に分散する。 (Dispersion production process) A particulate electric conductor carrying a catalyst that promotes the hydrogen oxidation reaction, and average particles capable of absorbing hydrogen under a high hydrogen partial pressure and releasing hydrogen under a low hydrogen partial pressure After preparing a mixture in which a metal hydride having a diameter of 400 nm or less is mixed, the mixture is dispersed in a dispersion.
(塗布乾燥工程)混合物を分散した分散液を拡散層の第1の面上に塗布後、乾燥する。 (Coating and drying step) The dispersion liquid in which the mixture is dispersed is applied on the first surface of the diffusion layer and then dried.
このような製造方法によれば、触媒13を担持した電気伝導体15と金属水素化物14とをともに十分に分散させた状態で、水素拡散層12の第1の面上に塗布することが可能となる。結果、第1の面上において、部分的に、触媒13、触媒13を担持した電気伝導体15および金属水素化物14の中のいずれか1つ以上の有効面積が減少するのを効果的に抑制することができる。また、触媒13を担持した電気伝導体15、および、金属水素化物14を触媒層11の平面方向全体に均一に分散することが可能となる。ここで、分散液は、混合物を十分に分散できるものであれば特段制限されず、例えば、ポリマーを溶液中に分散したものであってもよい。また、分残液を塗布する手段は特段制限されず、例えば、噴霧塗装や、ロールコータ塗装などの手段を利用してもよい。
According to such a manufacturing method, it is possible to apply the
なお、本実施形態の燃料極10の製造方法は上記した例に限定されない。例えば、水素拡散層12の第1の面に金属水素化物14を付着させた後、その上から、触媒13を担持した電気伝導体15を付着させる処理を行ってもよい。または、水素拡散層12の第1の面に触媒13を担持した電気伝導体15を付着させた後、その上から、金属水素化物14を付着させてもよい。この処理は、例えば、水素拡散層12の第1の面に触媒13を担持した電気伝導体15を付着させた後、燃料極10、高分子電解質膜20および空気極30をこの順に積層し、例えば熱圧着する際に、燃料極10と高分子電解質膜20との間に、金属水素化物14を挟みこむ処理であってもよい。
In addition, the manufacturing method of the
本実施形態の燃料極10を有する燃料電池1の製造方法は、従来技術に準じて実現できるので、ここでの説明は省略する。
Since the manufacturing method of the
ここで、本実施形態の燃料極10を有する燃料電池1は、あらゆる機器の動力源として利用することができる。例えば、自動車車載用電源、携帯電子機器用の電源などとして利用することができる。本実施形態の燃料電池1を動力源して用いた機器によれば、高電流出力状態における急激な電圧降下を抑制することができるので、安定した動作を実現することができる。なお、本実施形態の機器が燃料電池1を動力源として用いる手法および機器の製造方法は、従来技術に準じて実現できるので、ここでの説明は省略する。
Here, the
以下、本実施形態の詳細を具体的に実施例において示す。なお、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, details of the present embodiment will be specifically described in Examples. Note that the present embodiment is not limited to these examples.
<実施例1>
(LaNi5の合成)
不活性雰囲気内で原子比La:Ni=1:5となるように、LaおよびNiを秤量し、乳鉢の中で粉砕混合した。その後、アルゴンガス中、1000℃で48時間焼成し、LaNi5を作製した。構造および、組成は、粉末X線回折により確認した。得られた合金は、遊星ボールミルを用いて、100nm以下に粉砕した。
<Example 1>
(Synthesis of LaNi 5 )
La and Ni were weighed in an inert atmosphere so that the atomic ratio La: Ni = 1: 5, and pulverized and mixed in a mortar. Thereafter, argon gas, was fired at 1000 ° C. 48 hours to prepare a LaNi 5. The structure and composition were confirmed by powder X-ray diffraction. The obtained alloy was pulverized to 100 nm or less using a planetary ball mill.
(燃料電池の製造)
1.燃料極の製造
まず、拡散層として、カーボンクロスの表面にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョンで撥水化したカーボンブラックを塗布し、撥水化処理したものを用意した。
(Manufacture of fuel cells)
1. Production of Fuel Electrode First, as a diffusion layer, carbon black water-repellent with polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion was applied to the surface of a carbon cloth, and a water-repellent treatment was prepared.
次に、上記で作製したLaNi5合金を、50wt%白金担持触媒(触媒担体は、ケッチェンブラック)に対し、10wt%の割合で混合した。次いで、この混合粉末を、ナフィオン溶液(ポリマー分5%wt、シグマアルドリッチ社製)と混合することで、分散溶液を作成した。その後、撥水化処理された拡散層の表面にこの分散溶液を塗布・乾燥することで、燃料極を得た。 Next, the LaNi 5 alloy produced above was mixed at a rate of 10 wt% with respect to a 50 wt% platinum-supported catalyst (the catalyst support was ketjen black). Subsequently, this mixed powder was mixed with a Nafion solution (polymer content 5% wt, manufactured by Sigma-Aldrich) to prepare a dispersion solution. Thereafter, this dispersion solution was applied to the surface of the diffusion layer subjected to the water repellent treatment and dried to obtain a fuel electrode.
2.空気極の製造
まず、拡散層として、カーボンクロスの表面にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョンで撥水化したカーボンブラックを塗布し、撥水化処理したもの用意した。
2. Production of Air Electrode First, as a diffusion layer, carbon black repellent with polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion was applied to the surface of a carbon cloth, and a water repellent treatment was prepared.
次に、PtCo(1:1)触媒(触媒担体はケッチェンブラック)をナフィオン溶液(ポリマー分5%wt、シグマアルドリッチ社製)と混合することで、分散溶液を作成した。その後、撥水化処理された拡散層の表面にこの分散溶液を塗布・乾燥することで、空気極を得た。 Next, a PtCo (1: 1) catalyst (the catalyst carrier is ketjen black) was mixed with a Nafion solution (polymer content 5% wt, manufactured by Sigma Aldrich) to prepare a dispersion solution. Thereafter, this dispersion solution was applied to the surface of the diffusion layer subjected to water repellency treatment and dried to obtain an air electrode.
3.接合
その後、燃料極および空気極の触媒層(触媒塗布により形成された層)を内側にし、電解質膜(厚さ約50μmのナフィオン(登録商標)膜、デュポン社製)を間に挟んで熱圧着し、膜電極接合体(MEA)を得た。さらに、MEAをグラファイト板にガス流路を設けた集電体で挟んで、試験電池とした。
3. After that, thermocompression bonding is performed with the fuel electrode and air electrode catalyst layers (layers formed by applying the catalyst) inside, and an electrolyte membrane (a Nafion (registered trademark) membrane of about 50 μm thickness, manufactured by DuPont). As a result, a membrane electrode assembly (MEA) was obtained. Further, the MEA was sandwiched between current collectors provided with a gas flow path on a graphite plate to obtain a test battery.
<比較例1>
実施例1と同様の方法で、LaNi5合金を用いずに燃料極を作製した。その後、実施例1と同様の方法で試験電池を作製した。
<Comparative Example 1>
A fuel electrode was produced in the same manner as in Example 1 without using the LaNi 5 alloy. Thereafter, a test battery was produced in the same manner as in Example 1.
<実施例1と比較例1の比較>
まず、実施例1および比較例1の試験電池に対して、電流−電圧プロファイル、および限界電流の測定を行った。
<Comparison between Example 1 and Comparative Example 1>
First, the current-voltage profile and the limit current were measured for the test batteries of Example 1 and Comparative Example 1.
燃料極には、水素ガスを燃料として流量5ml/s、水素圧1.1atmで供給し、空気極側には、酸素ガスを流量10ml/s、酸素圧1.5atmで供給した。発電試験は、開回路端電圧を測定した後、徐々に電流値を増大させ、最終的に電圧が零になる(限界電流値)まで測定した。その結果を図2に記載した。 Hydrogen gas was supplied to the fuel electrode as a fuel at a flow rate of 5 ml / s and a hydrogen pressure of 1.1 atm, and oxygen gas was supplied to the air electrode side at a flow rate of 10 ml / s and an oxygen pressure of 1.5 atm. In the power generation test, the open circuit end voltage was measured, and then the current value was gradually increased until the voltage finally became zero (limit current value). The results are shown in FIG.
図2に示すように、電圧が零となる電流値は、実施例1の場合、3.5Aであったのに対し、比較例1の場合、2.6Aであった(矢印B参照)。また、電圧が0.3Vとなる電流値は、実施例1の場合、2.6Aであったのに対し、比較例1の場合、2.2Aであった(矢印A参照)。以上の結果から、実施例1は、比較例1に比べて高電流出力時の電圧降下が抑制されていることがわかる。なお、0.3Vで比較したのは、実際の発電時によく用いる電圧であるからである。 As shown in FIG. 2, the current value at which the voltage becomes zero was 3.5 A in Example 1, whereas it was 2.6 A in Comparative Example 1 (see arrow B). Further, the current value at which the voltage becomes 0.3 V was 2.6 A in Example 1, whereas it was 2.2 A in Comparative Example 1 (see arrow A). From the above results, it can be seen that the voltage drop at the time of high current output is suppressed in Example 1 as compared with Comparative Example 1. The comparison at 0.3V is because the voltage is often used during actual power generation.
次に、実施例1および比較例1の試験電池に対して、電流ステップ(10mAから500mA)の測定を行い、水素不足状態の回復時間の測定を行った。具体的には、10mAの電流値で30分間保持した後、500mAに電流を瞬時に上げた後の時間に対する電圧値のプロファイルを記録して水素不足状態の回復時間の測定を行った。その結果を図3に示す。 Next, the current step (10 mA to 500 mA) was measured for the test batteries of Example 1 and Comparative Example 1, and the recovery time for the hydrogen-deficient state was measured. Specifically, after holding at a current value of 10 mA for 30 minutes, a voltage value profile with respect to the time after the current was instantaneously increased to 500 mA was recorded, and the recovery time of the hydrogen-deficient state was measured. The result is shown in FIG.
図3に示すように、実施例1の回復時間は約10秒であった。これに対し、比較例1の回復時間は約70秒であった。以上の結果から、実施例1は、比較例1に比べて、急激な電流上昇時の触媒近傍のメタノール欠乏による電圧降下から迅速に回復でき、電力不安定動作の改善やメタノール欠乏から生じる触媒内の電圧不均一分布に起因する触媒劣化の低減による高耐久化に効果を及ぼす。 As shown in FIG. 3, the recovery time of Example 1 was about 10 seconds. On the other hand, the recovery time of Comparative Example 1 was about 70 seconds. From the above results, compared with Comparative Example 1, Example 1 can quickly recover from a voltage drop due to methanol deficiency in the vicinity of the catalyst at the time of a rapid current rise, and can improve the unstable power operation and the catalyst internality resulting from methanol deficiency. This has the effect of increasing the durability by reducing the catalyst deterioration caused by the non-uniform voltage distribution.
<他の実施例>
実施例1と同様の合成方法で、表1乃至4に示すような化合物を合成し、その後、実施例1と同様の方法を用いて試験電池を作製した。そして、これらの試験電池に対して、上記と同様の手段により、電流−電圧プロファイルおよび限界電流の測定を行った。
<Other embodiments>
Compounds as shown in Tables 1 to 4 were synthesized by the same synthesis method as in Example 1, and then a test battery was fabricated using the same method as in Example 1. Then, the current-voltage profile and the limit current were measured for these test batteries by the same means as described above.
測定結果を表1乃至4に示す。表に示すB点の電流値(A)は、電圧が零となる電流値のことであり、A点の電流値(A)は、電圧が0.3Vとなる電流値のことである。これらの結果から分かるように、他の実施例の試験電池においても、比較例1に比べて高電流出力時の電圧降下が抑制されていることがわかる。 The measurement results are shown in Tables 1 to 4. The current value (A) at point B shown in the table is the current value at which the voltage becomes zero, and the current value (A) at point A is the current value at which the voltage becomes 0.3V. As can be seen from these results, it can be seen that also in the test batteries of other examples, the voltage drop at the time of high current output is suppressed as compared with Comparative Example 1.
上記の結果から明らかなように、本発明によれば、燃料電池の一時的な高出力運転時の不安定動作を改善する機構を実現することが可能である。 As is apparent from the above results, according to the present invention, it is possible to realize a mechanism that improves unstable operation during temporary high-power operation of the fuel cell.
1 燃料電池
10 燃料極
11 触媒層
12 水素拡散層
13 触媒
14 金属水素化物
15 電気伝導体
20 高分子電解質膜
30 空気極
31 触媒層
32 ガス拡散層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記金属水素化物は、
AB5型合金の水素化物(Aは、希土類元素、未精製の希土類元素(ミッシュメタル;Mm)、または、X1 n1X2 n2・・・Xm nm(X1乃至Xmは希土類元素、n1+n2+・・・+nm=1)。Bは、Ni。)、
前記AB5型合金のAの一部がMg、CaおよびTiの中のいずれか1つ以上で置き換わったものの水素化物、または、
前記AB5型合金のBの一部がAl、Cr、MnおよびCoの中のいずれか1つ以上で置き換わったものの水素化物である触媒電極。 The catalyst electrode according to claim 1,
The metal hydride is
Hydride of AB type 5 alloy (A is rare earth element, unrefined rare earth element (Misch metal; Mm), or X 1 n1 X 2 n2 ... X m nm (X 1 to X m are rare earth elements, n1 + n2 +... + nm = 1) B is Ni.)
A hydride in which a part of A of the AB type 5 alloy is replaced by any one or more of Mg, Ca and Ti; or
A catalytic electrode which is a hydride in which a part of B of the AB type 5 alloy is replaced by any one or more of Al, Cr, Mn and Co.
前記金属水素化物は、
AB2型合金の水素化物(Aは、Ti、Zr、または、Tin1Zrn2(n1+n2=1)。Bは、Cr、Mn、V、Ni、または、Crn1Mnn2Vn3Nin4(n1+n2+n3+n4=2)。)、または、
前記AB2型合金のBの一部がCoおよび/またはFeで置き換わったものの水素化物である触媒電極。 The catalyst electrode according to claim 1,
The metal hydride is
Hydride of AB type 2 alloy (A is Ti, Zr, or Ti n1 Zr n2 (n1 + n2 = 1). B is Cr, Mn, V, Ni, or Cr n1 Mn n2 V n3 Ni n4 (n1 + n2 + n3 + n4) = 2))) or
A catalytic electrode which is a hydride obtained by replacing a part of B of the AB type 2 alloy with Co and / or Fe.
前記金属水素化物は、
AB型合金の水素化物(Aは、Ti。Bは、FeまたはCo。)、
前記AB型合金のAの一部が、Laおよび/またはVで置き換わったものの水素化物、または、
前記AB型合金のBの一部が、Mnで置き換わったものの水素化物である触媒電極。 The catalyst electrode according to claim 1,
The metal hydride is
Hydride of AB type alloy (A is Ti. B is Fe or Co.),
A hydride in which a part of A of the AB type alloy is replaced by La and / or V, or
A catalyst electrode, wherein a part of B of the AB-type alloy is a hydride obtained by replacing Mn with Mn.
前記金属水素化物は、
Vの水素化物、または、Vの一部がTi、CrおよびMnの中のいずれか1つ以上で置き換わったものの水素化物である触媒電極。 The catalyst electrode according to claim 1,
The metal hydride is
A catalyst electrode which is a hydride of V or a hydride in which a part of V is replaced by any one or more of Ti, Cr and Mn.
前記触媒層における前記金属水素化物の含有量は、20v%以下である触媒電極。 The catalyst electrode according to any one of claims 1 to 5,
The catalyst electrode, wherein the content of the metal hydride in the catalyst layer is 20 v% or less.
前記触媒層に接して水素ガス拡散層が設けられている触媒電極。 The catalyst electrode according to any one of claims 1 to 6,
A catalyst electrode provided with a hydrogen gas diffusion layer in contact with the catalyst layer.
水素酸化反応を促進する触媒を担持した電気伝導体と、高水素分圧下で水素を吸蔵し、かつ、低水素分圧下では水素を放出する性能を持つ金属水素化物と、を混合した混合物を作成後、前記混合物を分散液中に分散する分散液製造工程と、
前記混合物を分散した前記分散液を前記拡散層の第1の面上に塗布後、乾燥する塗布乾燥工程と、
を有する触媒電極の製造方法。 A diffusion layer preparation step of preparing a diffusion layer;
Creates a mixture of an electrical conductor carrying a catalyst that promotes the hydrogen oxidation reaction and a metal hydride that absorbs hydrogen under high hydrogen partial pressure and releases hydrogen under low hydrogen partial pressure Then, a dispersion manufacturing process for dispersing the mixture in the dispersion,
A coating and drying step of drying the dispersion in which the mixture is dispersed on the first surface of the diffusion layer and then drying;
The manufacturing method of the catalyst electrode which has this.
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