JP2022165779A - Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.
年々増大する地球環境負荷への対策として、よりクリーンなエネルギー創出に対する需要が高まりつつある。燃料電池は、水素と酸素の化学反応によって電気エネルギーを生成し、水のみを排出する発電システムであり、燃料電池には、将来的なエネルギー源として高い期待が寄せられている。 As a countermeasure against the global environmental burden, which increases year by year, there is a growing demand for the creation of cleaner energy. A fuel cell is a power generation system that generates electrical energy through a chemical reaction between hydrogen and oxygen and discharges only water, and high expectations are placed on the fuel cell as a future energy source.
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、及び固体酸化物形などに分類される。固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの幅広い活用が見込まれている。そのため、固体高分子形燃料電池の実用化に向けて、発電特性や耐久性の向上、コスト低減対策などについての研究開発が盛んに行われている。 Fuel cells are classified into alkaline type, phosphoric acid type, solid polymer type, molten carbonate type, solid oxide type, etc. according to the type of electrolyte. Since polymer electrolyte fuel cells can be used at around room temperature, they are expected to be widely used for automotive power sources and household stationary power sources. Therefore, in order to commercialize polymer electrolyte fuel cells, research and development are actively being conducted to improve power generation characteristics and durability, and to reduce costs.
固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜と、アノードである燃料極と、カソードである空気極とを備えている。高分子電解質膜の厚さ方向において、燃料極と空気極とが高分子電解質膜を挟んでいる。燃料極は、燃料ガスをプロトンと電子に分離する電極触媒層を有する。空気極は、高分子電解質膜を介して輸送されたプロトンを、酸素を含む酸化剤により酸化するとともに、外部回路から電子を受け取る電極触媒層を有する。燃料極及び空気極の電極触媒層は、白金系の貴金属などの触媒物質と、触媒物質を担持する担体、及び高分子電解質を含む。 A polymer electrolyte fuel cell includes a polymer electrolyte membrane having proton conductivity, a fuel electrode as an anode, and an air electrode as a cathode. The polymer electrolyte membrane is sandwiched between the fuel electrode and the air electrode in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane. The anode has an electrode catalyst layer that separates the fuel gas into protons and electrons. The air electrode has an electrode catalyst layer that oxidizes protons transported through the polymer electrolyte membrane with an oxygen-containing oxidant and receives electrons from an external circuit. The electrode catalyst layers of the fuel electrode and the air electrode include a catalyst material such as a platinum-based noble metal, a carrier supporting the catalyst material, and a polymer electrolyte.
固体高分子形燃料電池は、燃料極及び空気極の各々の電極触媒層における高分子電解質膜と反対側の面にガス拡散層及びセパレーターを配置したものを基本構成である単セルとし、この単セルが複数積層されてなる。ガス拡散層は、導電性を有し、反応ガスを均一に拡散するための層である。セパレーターは、ガス流路及び冷却水流路を有するとともに電子を外部回路に取り出す役割を担う部材であり、ガス拡散層の外側に配置される。以下、高分子電解質膜の両面に燃料極、空気極が形成されたものを膜電極接合体という。 A polymer electrolyte fuel cell has a basic configuration of a single cell, in which a gas diffusion layer and a separator are arranged on the opposite side of the polymer electrolyte membrane of the electrode catalyst layer of each of the fuel electrode and the air electrode. A plurality of cells are laminated. The gas diffusion layer is a layer that is electrically conductive and for uniformly diffusing the reaction gas. The separator is a member that has a gas channel and a cooling water channel and plays a role of extracting electrons to an external circuit, and is arranged outside the gas diffusion layer. Hereinafter, a polymer electrolyte membrane having fuel electrodes and air electrodes formed on both sides thereof will be referred to as a membrane electrode assembly.
固体高分子形燃料電池は、燃料極に水素を含む燃料ガスが供給され、空気極に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることにより、燃料極及び空気極において下記の式1及び式2に示す電極反応が生じ、発電する。 In a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the air electrode. The electrode reaction shown occurs and electricity is generated.
燃料極:H2→2H++2e-・・・(式1)
空気極:1/2O2+2H++2e-→H2O・・・(式2)
式1に示すように、燃料極に供給された燃料ガスが、燃料極の電極触媒層に含まれる触媒物質によりプロトンと電子に分離される。分離したプロトンは、燃料極の電極触媒層に含まれる加湿された高分子電解質及び高分子電解質膜を通って空気極に移動する。分離した電子は、燃料極から外部回路に取り出され、外部回路を通って空気極に移動する。式2に示すように、空気極では、酸化剤ガスと、燃料極から移動してきたプロトン及び電子とが反応して水が生成される。電子が外部回路を通ることにより電流が生じる。
Fuel electrode: H 2 →2H + +2e - (Formula 1)
Air electrode: 1/2O 2 +2H + +2e − →H 2 O (Formula 2)
As shown in Equation 1, the fuel gas supplied to the fuel electrode is separated into protons and electrons by the catalyst material contained in the electrode catalyst layer of the fuel electrode. The separated protons move to the air electrode through the humidified polymer electrolyte and polymer electrolyte membrane contained in the electrode catalyst layer of the fuel electrode. The separated electrons are extracted from the anode to an external circuit and travel through the external circuit to the cathode. As shown in Equation 2, at the air electrode, the oxidant gas reacts with the protons and electrons that have moved from the fuel electrode to produce water. An electric current is generated by electrons passing through an external circuit.
ところで、膜電極接合体内のプロトン伝導性を高めるためには、膜電極接合体内を比較的高く加湿する必要がある。そのため、加湿器を用いて系内の水分を補う処理が行われている。しかしながら、燃料電池を広く普及させる壁となっているコストの低減の観点においては、加湿器を削減することが望ましい。加湿器を削減した場合には、加湿器を用いない低加湿条件で発電性能を発現することのできる膜電極接合体が必要になる。 By the way, in order to increase the proton conductivity in the membrane electrode assembly, it is necessary to humidify the inside of the membrane electrode assembly to a relatively high level. Therefore, a humidifier is used to replenish the moisture in the system. However, from the viewpoint of cost reduction, which is a barrier to widespread use of fuel cells, it is desirable to reduce the number of humidifiers. If the number of humidifiers is reduced, a membrane electrode assembly that can exhibit power generation performance under low humidification conditions without using a humidifier is required.
こうした膜電極接合体に関する技術として、特許文献1及び特許文献2に開示される技術が知られている。特許文献1には、電極触媒層とガス拡散層の間に所定の保水層と疎水性水分管理層を設けることにより、低加湿条件での発電性能の改善を図る技術が開示されている。また、特許文献2には、ガス拡散層の構成材料を親水化処理することにより、低加湿条件での発電性能の改善を図る技術が開示されている。 Techniques disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 are known as techniques relating to such membrane electrode assemblies. Patent Literature 1 discloses a technique for improving power generation performance under low humidity conditions by providing a predetermined water retention layer and a hydrophobic moisture management layer between an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer. Further, Patent Document 2 discloses a technique for improving power generation performance under low humidification conditions by subjecting the constituent material of the gas diffusion layer to hydrophilic treatment.
特許文献1及び特許文献2に開示される電極触媒層を用いた従来の燃料電池には、高加湿条件及び低加湿条件の両方の運転条件における発電性能を向上させる観点において改善の余地があった。 Conventional fuel cells using the electrode catalyst layers disclosed in Patent Documents 1 and 2 have room for improvement in terms of improving power generation performance under both high and low humidity operating conditions. .
上記課題を解決するための電極触媒層は、膜電極接合体において高分子電解質膜に接合する電極触媒層であって、疎水性被膜を有する触媒担持粒子と、高分子電解質と、平均繊維長が0.7μm以上20μm以下である親水化カーボンファイバーとを含み、前記触媒担持粒子は、担体と、前記担体に担持された触媒とを含み、前記担体の含有量を100質量部としたとき、前記親水化カーボンファイバーの含有量は、5質量部以上30質量部以下である。 The electrode catalyst layer for solving the above problems is an electrode catalyst layer bonded to a polymer electrolyte membrane in a membrane electrode assembly, comprising catalyst-carrying particles having a hydrophobic coating, a polymer electrolyte, and an average fiber length of Hydrophilized carbon fibers having a diameter of 0.7 μm or more and 20 μm or less, and the catalyst-supporting particles include a carrier and a catalyst supported on the carrier, and when the content of the carrier is 100 parts by mass, The content of the hydrophilized carbon fiber is 5 parts by mass or more and 30 parts by mass or less.
上記電極触媒層において、前記担体の含有量を100質量部としたとき、前記高分子電解質の含有量は、40質量部以上100質量部以下であってもよい。
上記電極触媒層において、前記親水化カーボンファイバーは、平均繊維径が10nm以上300nm以下であってもよい。
In the electrode catalyst layer, when the content of the carrier is 100 parts by mass, the content of the polymer electrolyte may be 40 parts by mass or more and 100 parts by mass or less.
In the electrode catalyst layer, the hydrophilized carbon fibers may have an average fiber diameter of 10 nm or more and 300 nm or less.
上記課題を解決するための膜電極接合体は、高分子電解質膜と、上記電極触媒層とを備え、前記電極触媒層が、前記高分子電解質膜に接合されている。
上記課題を解決するための高分子形燃料電池は、上記膜電極接合体と、前記膜電極接合体の厚さ方向に前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、前記膜電極接合体の厚さ方向に前記膜電極接合体及び前記一対のガス拡散層を挟む一対のセパレーターとを備える。
A membrane electrode assembly for solving the above problems includes a polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, and the electrode catalyst layer is bonded to the polymer electrolyte membrane.
A polymer fuel cell for solving the above problems comprises the membrane electrode assembly, a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly in the thickness direction of the membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly and the pair of gas diffusion layers in the thickness direction of.
本発明によれば、高加湿条件及び低加湿条件の両方の運転条件における発電性能を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve power generation performance under both high humidification conditions and low humidification conditions.
図1から図4を参照して、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池の一実施形態を説明する。図面の各図は、理解を容易にするために適宜誇張して表現している。また、本発明の電極触媒層、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、及びそれらの製造方法の構成及び材料は、以下に記載する構成及び材料に限定されるものではなく、同様の機能を持つと類推される全ての材料及び構成を含む。 An embodiment of an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. Each figure in the drawings is appropriately exaggerated to facilitate understanding. Further, the configurations and materials of the electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing them of the present invention are not limited to the configurations and materials described below, and the same functions Including all materials and configurations that can be inferred to have
[膜電極接合体]
図1に示すように、膜電極接合体10は、高分子電解質膜11と、カソード側電極触媒層12Cと、アノード側電極触媒層12Aとを備えている。
[Membrane electrode assembly]
As shown in FIG. 1, the
高分子電解質膜11は、固体状の高分子電解質膜である。高分子電解質膜11は、例えば、プロトン伝導性を有する高分子材料によって形成されている。プロトン伝導性を有する高分子材料としては、例えば、フッ素系樹脂、炭化水素系樹脂が挙げられる。フッ素系樹脂としては、例えば、Nafion(デュポン社製、登録商標)、Flemion(AGC社製、登録商標)、Gore-Select(ゴア社製、登録商標)が挙げられる。炭化水素系樹脂としては、例えば、エンジニアリングプラスチック、及びスルホン酸基が導入されたエンジニアリングプラスチックが挙げられる。
The
カソード側電極触媒層12Cは、カソードである空気極を構成する電極触媒層であり、高分子電解質膜11の片側の面に接合している。カソード側電極触媒層12Cは、高分子電解質膜11を介して輸送されたプロトンを、酸素を含む酸化剤により酸化するとともに、外部回路から電子を受け取るための層である。アノード側電極触媒層12Aは、アノードである燃料極を構成する電極触媒層であり、高分子電解質膜11におけるカソード側電極触媒層12Cが接合する面の反対側の面に接合している。アノード側電極触媒層12Aは、燃料ガスをプロトンと電子に分離するための層である。また、以下では、カソード側電極触媒層12C及びアノード側電極触媒層12Aを含む概念として電極触媒層と記載する場合がある。
The cathode-side electrode catalyst layer 12</b>C is an electrode catalyst layer forming an air electrode, which is a cathode, and is bonded to one side surface of the
[電極触媒層]
以下、電極触媒層としての第1電極触媒層及び第2電極触媒層について説明する。カソード側電極触媒層12C及びアノード側電極触媒層12Aは共に第1電極触媒層である。または、カソード側電極触媒層12C及びアノード側電極触媒層12Aのいずれか一方は、第1電極触媒層であり、いずれか他方は、第2電極触媒層である。つまり、カソード側電極触媒層12C及びアノード側電極触媒層12Aの少なくとも一方を第1電極触媒層としている。これにより、高加湿条件及び低加湿条件の両方の運転条件における発電性能を向上させる効果が得られる。なお、上記効果を高める観点から、カソード側電極触媒層12C及びアノード側電極触媒層12Aの一方のみを第1電極触媒層とする場合には、空気極を構成するカソード側電極触媒層12Cを第1電極触媒層とすることが好ましい。
[Electrode catalyst layer]
The first electrode catalyst layer and the second electrode catalyst layer as electrode catalyst layers will be described below. Both the cathode side
(第1電極触媒層)
図2に示すように、第1電極触媒層20は、触媒担持粒子21と、高分子電解質22と、親水化カーボンファイバー23とを含む。また、第1電極触媒層20は、任意成分として、燃料電池の電極触媒層に含有される公知のその他成分を含んでもよい。
(First electrode catalyst layer)
As shown in FIG. 2 , the first
<触媒担持粒子>
図3に示すように、触媒担持粒子21は、触媒21aと、触媒21aを担持する担体21bと、触媒21a及び担体21bを被覆する疎水性被膜21cとを備えている。
<Catalyst-carrying particles>
As shown in FIG. 3, the catalyst-carrying
触媒21aとしては、例えば、白金族に含まれる金属、白金族以外の金属、又はこれらの合金、酸化物、複酸化物、炭化物を用いることができる。白金族に含まれる金属としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムが挙げられる。白金族以外の金属としては、例えば、金、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムが挙げられる。これらの中でも、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及びこれらの合金は、触媒としての活性が高く、好適である。なお、触媒担持粒子21を構成する触媒21aは、上記例の一種類のみであってもよいし、二種類以上の組み合わせであってもよい。
As the
触媒21aの平均粒子径は、例えば、0.5nm以上20nm以下であることが好ましく、1nm以上5nm以下であることがより好ましい。触媒21aの平均粒子径を0.5nm以上とすることにより安定性の低下を抑制できる。また、触媒21aの平均粒子径を20nm以下とすることにより活性の低下を抑制できる。なお、本明細書では、粒度測定から求めた算術平均粒子径を平均粒子径と定義する。
The average particle size of the
担体21bとしては、導電性を有し、触媒21aに侵されず、かつ触媒21aを担持することが可能な物質を用いる。担体21bを構成する上記物質としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、フラーレン等の炭素材料が挙げられる。なお、触媒担持粒子21を構成する担体21bは、上記例の一種類のみであってもよいし、二種類以上の組み合わせであってもよい。
As the
担体21bの形状は特に限定されるものではなく、例えば、粒子形状であってもよいし、繊維形状であってもよい。なお、触媒21aの表面で生じる電子を円滑に系外に伝達する観点において、担体21bは、その外表面に触媒21aを担持可能な形状であることが好ましい。
The shape of the
担体21bの平均粒子径は、例えば、10nm以上1000nm以下であることが好ましく、10nm以上100nm以下であることがより好ましい。担体21bの平均粒子径を10nm以上とすることにより、電極触媒層内に電子の伝導経路が形成されやすくなる。また、担体21bの平均粒子径を1000nm以下とすることにより、第1電極触媒層20の厚みが増大することによる抵抗増加を抑制できる。
The average particle size of the
疎水性被膜21cとしては、例えば、少なくとも一つの極性基を有するフッ素系化合物から形成される被膜を用いることができる。極性基としては、例えば、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、エステル基、エーテル基、カーボネート基、アミド基が挙げられる。極性基の存在により、触媒21aを担持した担体21bの最表面にフッ素系化合物を固定化することができる。フッ素系化合物における極性基以外の部分は、疎水性及び化学的安定性の高さからフッ素及びカーボンからなる構造であることが好ましい。しかし、疎水性被膜21cが十分な疎水性及び化学的安定性を有するならばこのような構造に限られるものではない。
As the
疎水性被膜21cの膜厚は、十分に反応ガスを透過する膜厚であることが好ましい。疎水性被膜21cの膜厚は、例えば、40nm以下であることが好ましい。この場合、十分に反応ガスを透過させることができ、活性点への反応ガスの供給が阻害されることを抑制できる。
The film thickness of the
また、疎水性被膜21cの膜厚は、例えば、2nm以上であることが好ましい。この場合、触媒担持粒子21に十分に疎水性を付与することができるとともに、電池反応により電極内に生成する生成水を十分に撥水することができる。また、この場合には、生成水の滞留を抑えることができ、その結果、活性点に対する反応ガスの供給が滞留した生成水により阻害されることを抑制できる。
Moreover, the film thickness of the
<高分子電解質>
高分子電解質22としては、プロトン伝導性を有する物質を用いる。プロトン伝導性を有する物質としては、例えば、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質が挙げられる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)に代表されるテトラフルオロエチレン骨格を有するものが挙げられる。炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンが挙げられる。なお、第1電極触媒層20を構成する高分子電解質22は、上記例の一種類のみであってもよいし、二種類以上の組み合わせであってもよい。
<Polymer electrolyte>
A substance having proton conductivity is used as the
第1電極触媒層20における高分子電解質の含有量は、例えば、第1電極触媒層20における担体21bの含有量を100質量部としたとき、40質量部以上100質量部以下であることが好ましい。高分子電解質の含有量を40質量部以上とすることにより、プロトンの伝導経路が欠損することによるプロトン伝導性の低下を抑制することができる。その結果、第1電極触媒層20におけるプロトン伝導性及び電子伝導性のバランスを確保することが容易になる。高分子電解質の含有量を100質量部以下とすることにより、触媒担持粒子21の触媒21aを好適に露出させることができる。その結果、第1電極触媒層20における触媒活性が向上する。
The content of the polymer electrolyte in the first
<親水化カーボンファイバー>
親水化カーボンファイバー23としては、例えば、親水性を持つように製造された親水化カーボンファイバー、非親水性のカーボンファイバーに対して親水性を付与する処理が施された親水化カーボンファイバーを用いることができる。親水性を付与する処理としては、例えば、オゾンや酸素プラズマ処理、電解酸化処理、混酸処理が挙げられる。
<Hydrophilic carbon fiber>
As the
親水化カーボンファイバー23の形状は特に限定されるものではなく、例えば、中空構造であってもよいし、中実構造であってもよい。親水化カーボンファイバー23の具体例としては、VGCF(Vapor Grown Carbon Fiber)、CNT(Carbon Nano Tube)が挙げられる。なお、第1電極触媒層20を構成する親水化カーボンファイバー23は、上記例の一種類のみであってもよいし、二種類以上の組み合わせであってもよい。
The shape of the
親水化カーボンファイバー23の平均繊維長は、0.7μm以上20μm以下である。親水化カーボンファイバー23の平均繊維長を上記範囲とすることにより、親水化カーボンファイバー23を用いることによる第1電極触媒層20の保湿性を向上させつつ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
The average fiber length of the
詳述すると、第1電極触媒層20に親水化カーボンファイバー23を含有させることにより得られる主な効果は、第1電極触媒層20内の保湿、第1電極触媒層20内における電子の伝導経路の構築、及び第1電極触媒層20の構造的強化である。親水化カーボンファイバー23の平均繊維長を0.7μm以上とすることにより、親水化カーボンファイバー23同士のネットワークが形成されやすくなる。これにより、第1電極触媒層20内における電子の伝導経路の構築及び第1電極触媒層20の構造的強化を十分に行うことができ、その結果、燃料電池の発電性能が向上する。親水化カーボンファイバー23の平均繊維長を20μm以下とすることにより、後述する触媒インクを用いて第1電極触媒層20を形成する際の親水化カーボンファイバー23の分散性を向上させることができる。
More specifically, the main effects obtained by including the
また、燃料電池において、電池反応の結果、電極触媒層内に生成される生成水の量は、化学反応の量に比例する。そのため、高電流密度で発電した場合、生成水の量は増大する。この生成水が十分に電極触媒層外に排水されないと、電極触媒層に滞留した生成水がガスの拡散経路を塞ぐ場合がある。この場合、反応ガスが活性点に到達できず発電性能が著しく低下する現象であるフラッディング(flooding)が生じる。 Further, in the fuel cell, the amount of water produced in the electrode catalyst layer as a result of the cell reaction is proportional to the amount of chemical reaction. Therefore, when power is generated at a high current density, the amount of water produced increases. If the generated water is not sufficiently drained out of the electrode catalyst layer, the generated water remaining in the electrode catalyst layer may clog the gas diffusion path. In this case, flooding occurs, which is a phenomenon in which the reaction gas cannot reach the active point and the power generation performance is remarkably lowered.
親水化カーボンファイバー23の平均繊維長を20μm以下とすることにより、第1電極触媒層20内に十分な空隙を確保することができ、第1電極触媒層20の排水性能が向上する。これにより、高電流密度で発電した場合にもフラッディングが生じ難くなり、燃料電池の発電性能が向上する。
By setting the average fiber length of the
親水化カーボンファイバー23の平均繊維径は、例えば、10nm以上300nm以下であることが好ましい。この場合には、第1電極触媒層20内に適切な大きさの空隙を形成することができるため、第1電極触媒層20内のガス拡散性が向上する。
The average fiber diameter of the
第1電極触媒層20における親水化カーボンファイバー23の含有量は、第1電極触媒層20における担体21bの含有量を100質量部としたとき、5質量部以上30質量部以下である。また、親水化カーボンファイバー23の含有量は、5質量部以上20質量部以下であることが好ましい。
The content of the
親水化カーボンファイバー23の含有量を5質量部以上とすることにより、親水化カーボンファイバー23同士のネットワークが形成されやすくなる。これにより、電極触媒層内における電子の伝導経路の構築及び電極触媒層の構造的強化を十分に行うことができる。その結果、燃料電池の発電性能が向上する。親水化カーボンファイバー23の含有量を30質量部以下とすることにより、第1電極触媒層20の厚みが増大することによる抵抗増加を抑制できる。
By setting the content of the
(第2電極触媒層)
第2電極触媒層としては、膜電極接合体に適用される公知の電極触媒層を用いることができる。第2電極触媒層としては、例えば、疎水性被膜21cを有していない触媒担持粒子21を用いる点、及び親水化カーボンファイバー23を含まない点において第1電極触媒層20と相違し、その他の構成は、第1電極触媒層20と同様である電極触媒層が挙げられる。
(Second electrode catalyst layer)
As the second electrode catalyst layer, a known electrode catalyst layer applied to a membrane electrode assembly can be used. The second electrode catalyst layer differs from the first
なお、第1電極触媒層及び第2電極触媒層の構成成分に用いられる上記の材料に関して、カソード側電極触媒層12Cに用いられる場合の材料と、アノード側電極触媒層12Aに用いられる場合の材料は、同一であってもよいし、少なくとも一部が異なっていてもよい。
Regarding the above materials used for the components of the first electrode catalyst layer and the second electrode catalyst layer, the materials used for the cathode side
[固体高分子形燃料電池]
次に、膜電極接合体10を備える固体高分子形燃料電池の構成を説明する。以下では、固体高分子形燃料電池の一例として、単セルの固体高分子形燃料電池について説明する。固体高分子形燃料電池は、単セルの構成に限定されるものではなく、複数の単セルを備え、かつ複数の単セルが積層された構成であってもよい。
[Polymer electrolyte fuel cell]
Next, the configuration of a polymer electrolyte fuel cell having the
図4に示すように、固体高分子形燃料電池30は、膜電極接合体10と、一対のガス拡散層31a、31bと、一対のセパレーター32a、32bとを備える。
ガス拡散層31a、31bは、反応ガスを均一に拡散するための層である。ガス拡散層31aは、膜電極接合体10のカソード側電極触媒層12Cと対向するように配置される。ガス拡散層31bは、膜電極接合体10のアノード側電極触媒層12Aと対向するように配置される。一対のガス拡散層31a、31bは、膜電極接合体10の厚さ方向において膜電極接合体10を挟んでいる。また、カソード側電極触媒層12C及びガス拡散層31aは、カソードである空気極を形成する。アノード側電極触媒層12A及びガス拡散層31bは、アノードである燃料極を形成する。
As shown in FIG. 4, a polymer
The gas diffusion layers 31a and 31b are layers for uniformly diffusing the reaction gas. The gas diffusion layer 31a is arranged so as to face the cathode side
ガス拡散層31a、31bは、電子伝導性及びガス拡散性を有する材料により構成される。ガス拡散層31a、31bを構成する材料としては、例えば、ポーラスカーボン材を用いることができる。ポーラスカーボン材としては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布が挙げられる。 The gas diffusion layers 31a and 31b are made of a material having electronic conductivity and gas diffusibility. Porous carbon material, for example, can be used as the material forming the gas diffusion layers 31a and 31b. Porous carbon materials include, for example, carbon cloth, carbon paper, and non-woven fabric.
セパレーター32a、32bは、電子を外部回路に取り出す役割を担う部材であり、ガス拡散層31bの外側に配置される。一対のセパレーター32a、32bは、膜電極接合体10の厚さ方向において、膜電極接合体10及び一対のガス拡散層31a、31bを挟んでいる。
The
セパレーター32a、32bは、ガス流路33a、33b及び冷却水流路34a、34bを有している。ガス流路33a、33bは、反応ガスを流通させるための流路であり、セパレーター32a、32bにおけるガス拡散層31a、31bに対向する面に形成されている。冷却水流路34a、34bは、冷却水を流通させるための流路であり、セパレーター32a、32bにおけるガス拡散層31a、31bに対向する面と反対側の面に形成されている。
The
セパレーター32a、32bは、導電性及びガスに対する不透過性を有する材料によって形成される。セパレーター32a、32bを構成する材料としては、例えば、カーボン材料、金属材料が挙げられる。また、セパレーター32a、32bを構成する材料は、ある程度強度を持ち成形性の良いものであることが好ましい。
The
空気極を構成するガス拡散層31aに対向するセパレーター32aのガス流路33aには、反応ガスとしての酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、例えば、空気、酸素ガスである。燃料極を構成するガス拡散層31bに対向するセパレーター32bのガス流路33bには、反応ガスとしての燃料ガスが供給される。燃料ガスは、例えば、水素ガスである。
An oxidant gas as a reaction gas is supplied to the gas flow path 33a of the
固体高分子形燃料電池30は、燃料極に水素を含む燃料ガスが供給され、空気極に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることにより、燃料極及び空気極において下記の式1及び式2に示す電極反応が生じ、発電する。また、固体高分子形燃料電池は、ガス供給装置や冷却装置などの付随装置と組み合わせて用いられる。
In the polymer
燃料極:H2→2H++2e-・・・(式1)
空気極:1/2O2+2H++2e-→H2O・・・(式2)
[膜電極接合体の製造方法]
以下、膜電極接合体10の製造方法を説明する。
Fuel electrode: H 2 →2H + +2e - (Formula 1)
Air electrode: 1/2O 2 +2H + +2e − →H 2 O (Formula 2)
[Method for manufacturing membrane electrode assembly]
A method for manufacturing the
膜電極接合体10の製造方法は、触媒インクを調製する調製工程と、触媒インクを用いて電極触媒層を形成する形成工程とを有する。
(調製工程)
調製工程では、電極触媒層を構成する各成分を、分散媒を用いて混合することにより触媒インクを調製する。
The method for manufacturing the
(Preparation process)
In the preparation step, the catalyst ink is prepared by mixing each component constituting the electrode catalyst layer using a dispersion medium.
分散媒は、電極触媒層を構成する各成分を分散できるものであれば特に限定されない。分散媒としては、例えば、水、アルコール、ケトン類又はその混合物が挙げられる。具体的には、水や、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール等のアルコール類や、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類を適宜使用することができる。 The dispersion medium is not particularly limited as long as it can disperse each component constituting the electrode catalyst layer. Dispersion media include, for example, water, alcohols, ketones, and mixtures thereof. Specifically, water, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl Ketones such as butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, and diisobutyl ketone can be used as appropriate.
また、触媒インクには、電極触媒層を構成する各成分を良好に分散させるための分散剤が含まれていてもよい。分散剤としては、例えば、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤が挙げられる。 Further, the catalyst ink may contain a dispersant for good dispersion of each component constituting the electrode catalyst layer. Dispersants include, for example, anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants.
アニオン界面活性剤としては、例えば、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・N-メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成リン酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム等のカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホコハク酸ジアルキル塩、1,2-ビス(アルコキシカルボニル)-1-エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート-ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油等の硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノ又はジ)アルキル塩、(モノ又はジ)アルキルホスフェート、(モノ又はジ)アルキルリン酸エステル塩、リン酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、リン酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・リン酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のリン酸エステル型界面活性剤が挙げられる。 Examples of anionic surfactants include alkyl ether carboxylate, ether carboxylate, alkanoyl sarcosine, alkanoyl glutamate, acyl glutamate, oleic acid/N-methyltaurine, potassium oleate/diethanolamine salt, alkyl ether sulfate/ Triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate/triethanolamine salt, amine salt of special modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine of high molecular weight polyether ester acid Salt, amine salt of special modified phosphoric acid ester, amide amine salt of high molecular weight polyester acid, amide amine salt of special fatty acid derivative, alkylamine salt of higher fatty acid, amide amine salt of high molecular weight polycarboxylic acid, sodium laurate, sodium stearate, olein Carboxylic acid surfactants such as sodium phosphate, dialkylsulfosuccinate, dialkyl sulfosuccinate, 1,2-bis(alkoxycarbonyl)-1-ethanesulfonate, alkylsulfonate, alkylsulfonate, paraffin sulfonate , α-olefin sulfonate, linear alkylbenzene sulfonate, alkylbenzene sulfonate, polynaphthyl methanesulfonate, polynaphthyl methanesulfonate, naphthalene sulfonate-formalin condensate, alkylnaphthalene sulfonate, alkanoyl methyl tauride, lauryl sulfate sodium salt, cetyl sulfate Sulfonic acid type surfactants such as ester sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate sodium salt, lauryl ether sulfate ester salt, alkylbenzene sodium sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, alkyl Sulfate ester salts, alkyl sulfate salts, alkyl sulfates, alkyl ether sulfates, polyoxyethylene alkyl ether sulfates, alkyl polyethoxy sulfates, polyglycol ether sulfates, alkyl polyoxyethylene sulfates, sulfated oils, highly sulfated oils, etc. Sulfuric acid ester type surfactant, (mono or di) alkyl phosphate, (mono or di) alkyl phosphate, (mono or di) alkyl phosphate, alkyl polyoxyethylene phosphate, alkyl ether phosphate, alkyl poly Etoki Phosphate, polyoxyethylene alkyl ether, alkylphenyl phosphate, polyoxyethylene salt, alkylphenyl ether phosphate, alkylphenyl polyethoxy phosphate, polyoxyethylene alkylphenyl ether phosphate, higher alcohol phosphorus Acid monoester disodium salt, higher alcohol phosphate diester disodium salt, phosphate ester surfactant such as zinc dialkyldithiophosphate.
カチオン界面活性剤としては、例えば、ベンジルジメチル{2-[2-(P-1,1,3,3-テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1-ヒドロキシエチル-2-牛脂イミダゾリン4級塩、2-ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物が挙げられる。 Examples of cationic surfactants include benzyldimethyl{2-[2-(P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy)ethoxy]ethyl}ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, Salt, octadecyltrimethylammonium chloride, beef tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, coconut trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, coconutdimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride Chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2-tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethylimidazoline, stearamidoethyldiethylamine acetate, stearamidoethyldiethylamine hydrochloride, triethanolamine monostea rateformates, alkylpyridium salts, higher alkylamine ethylene oxide adducts, polyacrylamideamine salts, modified polyacrylamideamine salts, and perfluoroalkyl quaternary ammonium iodides.
両性界面活性剤としては、例えば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3-[ω-フルオロアルカノイル-N-エチルアミノ]-1-プロパンスルホン酸ナトリウム、N-[3-(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]-N,N-ジメチル-N-カルボキシメチレンアンモニウムベタインが挙げられる。 Amphoteric surfactants include, for example, dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyldimethylbetaine, lauryldihydroxyethyl betaine, amidobetaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3- sodium [ω-fluoroalkanoyl-N-ethylamino]-1-propanesulfonate, N-[3-(perfluorooctanesulfonamido)propyl]-N,N-dimethyl-N-carboxymethylene ammonium betaine.
非イオン界面活性剤としては、例えば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルが挙げられる。 Nonionic surfactants include, for example, coconut fatty acid diethanolamide (1:2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1:1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1:2 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: type 1), oleic acid diethanolamide (1:1 type), hydroxyethyllaurylamine, polyethylene glycol laurylamine, polyethylene glycol coconut amine, polyethylene glycol stearylamine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleylamine , dimethyllaurylamine oxide, dimethylstearylamine oxide, dihydroxyethyllaurylamine oxide, perfluoroalkylamine oxide, polyvinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct fatty acid esters, glycerin fatty acid esters, pentaerythrityl fatty acid esters, sorbit fatty acid esters, sorbitan fatty acid esters, and sugar fatty acid esters.
上記の界面活性剤の中でも、アルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α-オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果に優れる点、分散剤の残存による触媒性能の変化が生じ難い点から、分散剤として好適に用いることができる。 Among the above surfactants, sulfonic acid-type surfactants such as alkylbenzenesulfonic acid, oil-soluble alkylbenzenesulfonic acid, α-olefinsulfonic acid, sodium alkylbenzenesulfonate, oil-soluble alkylbenzenesulfonate, and α-olefinsulfonate The agent can be suitably used as a dispersant because it has an excellent carbon dispersing effect and is less likely to cause a change in catalytic performance due to residual dispersant.
調製工程における分散方法は、触媒インクに含まれる各成分を分散できるものであれば特に限定されるものではなく、公知の分散方法を用いることができる。公知の分散方法としては、例えば、遊星型ボールミル、ビーズミル、又は超音波ホモジナイザーを用いた方法が挙げられる。また、触媒インクにおける各成分及び分散媒の配合比率は、塗工性や要求される発電性能に応じて適宜、選択することができる。 The dispersion method in the preparation process is not particularly limited as long as it can disperse each component contained in the catalyst ink, and a known dispersion method can be used. Known dispersion methods include, for example, a method using a planetary ball mill, a bead mill, or an ultrasonic homogenizer. In addition, the blending ratio of each component and the dispersion medium in the catalyst ink can be appropriately selected according to coatability and required power generation performance.
(形成工程)
形成工程では、調製工程にて得られた触媒インクを基材に塗布した後、分散媒を揮発させる乾燥処理を行うことにより、塗膜状の電極触媒層を形成する。基材としては、高分子電解質膜11、転写用基材、又はガス拡散層31a、31bを用いることができる。
(Formation process)
In the formation step, after the catalyst ink obtained in the preparation step is applied to the base material, a drying treatment is performed to volatilize the dispersion medium, thereby forming a coated electrode catalyst layer. As the substrate, the
基材に触媒インクを塗布する際の塗布方法は特に限定されるものではなく、スラリー状の混合物を基材上に均一な膜厚で塗布する場合に適用される公知の塗布方法を用いることができる。公知の塗布方法としては、例えば、ダイコート、バーコート、スプレーコート、ディッピング、スクリーン印刷が挙げられる。これらの中でも、比較的塗工できる触媒インクの粘度範囲が広い点、及び高い膜厚均一性で塗布することができる点から、ダイコート法を用いることが好ましい。 The coating method for applying the catalyst ink to the base material is not particularly limited, and a known coating method that is applied to apply a slurry mixture to a uniform film thickness on the base material can be used. can. Known coating methods include, for example, die coating, bar coating, spray coating, dipping, and screen printing. Among these, it is preferable to use the die coating method because the viscosity range of the catalyst ink that can be applied is relatively wide and the coating can be performed with high film thickness uniformity.
乾燥処理に用いる乾燥方法は、分散媒を揮発させることができる方法であれば特に限定されるものではなく、オーブン、ホットプレート、遠赤外線を用いた方法等の公知の乾燥方法を用いることができる。また、乾燥処理における乾燥温度及び乾燥時間は、電極触媒層及び基材に用いた材料に応じて適宜選択することができる。 The drying method used in the drying treatment is not particularly limited as long as it is a method capable of volatilizing the dispersion medium, and known drying methods such as an oven, a hot plate, and a method using far infrared rays can be used. . Moreover, the drying temperature and drying time in the drying treatment can be appropriately selected according to the materials used for the electrode catalyst layer and the substrate.
また、基材として転写用基材を用いた場合には、転写用基材に形成された電極触媒層を、転写用基材から高分子電解質膜11に転写する処理を行う。その際の転写方法としては、例えば、熱圧着による転写方法を用いることができる。
Further, when a transfer base material is used as the base material, a process of transferring the electrode catalyst layer formed on the transfer base material from the transfer base material to the
転写用基材は、形成された電極触媒層を離型させて、高分子電解質膜に転写できるものであれば特に限定されない。転写用基材としては、例えば、フッ素系樹脂フィルムを用いることができる。フッ素系樹脂フィルムは、転写性に優れている。フッ素系樹脂フィルムを構成するフッ素系樹脂としては、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が挙げられる。 The substrate for transfer is not particularly limited as long as it can release the formed electrode catalyst layer and transfer it to the polymer electrolyte membrane. For example, a fluororesin film can be used as the transfer substrate. The fluororesin film has excellent transferability. Examples of fluorine-based resins constituting the fluorine-based resin film include ethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer ( PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE).
転写用基材として、高分子電解質膜11又は転写用基材を用いた場合には、高分子電解質膜11の両面に電極触媒層を設けることにより膜電極接合体10が得られる。そして、得られた膜電極接合体10と、ガス拡散層31a、31bと、セパレーター32a、32bとを積層することにより、固体高分子形燃料電池30が得られる。
When the
また、転写用基材として、ガス拡散層31a、31bを用いた場合には、高分子電解質膜11と、電極触媒層が形成されたガス拡散層31a、31bとを積層することにより、ガス拡散層31a、31bを有する膜電極接合体10が得られる。そして、得られた膜電極接合体10にセパレーター32a、32bを積層することにより、固体高分子形燃料電池30が得られる。
Further, when the gas diffusion layers 31a and 31b are used as the transfer base material, gas diffusion is achieved by laminating the
なお、カソード側電極触媒層12Cを製造する際の電極触媒層の製造方法と、アノード側電極触媒層12Aを製造する際の電極触媒層の製造方法は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
The electrode catalyst layer manufacturing method for manufacturing the cathode side
次に、実施例及び比較例を挙げて上記実施形態を更に具体的に説明する。なお、本発明は、実施例欄に記載の構成に限定されるものではない。
[実施例1]
触媒担持粒子と、高分子電解質と、カーボンファイバーと、分散媒とを混合した混合液に対して分散処理を実施することにより触媒インクを調製した。高分子電解質の配合量は、触媒担持粒子に含まれる担体の配合量、即ち、担体換算の触媒担持粒子の配合量100質量部に対して70質量部となる量とした。カーボンファイバーの配合量は、担体換算の触媒担持粒子の配合量100質量部に対して20質量部となる量とした。分散媒の配合量は、触媒インクの固形分濃度が10質量%となる量とした。分散処理は、直径3mmのジルコニアボール及び遊星型ボールミルを用いて600rpmの回転速度で60分間、実施した。触媒インクに用いた各成分の詳細は以下のとおりである。
EXAMPLES Next, the above embodiments will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. It should be noted that the present invention is not limited to the configurations described in Examples.
[Example 1]
A catalyst ink was prepared by subjecting a liquid mixture obtained by mixing catalyst-carrying particles, a polymer electrolyte, carbon fibers, and a dispersion medium to dispersion treatment. The blending amount of the polymer electrolyte was set to 70 parts by mass with respect to the blending amount of the carrier contained in the catalyst-carrying particles, that is, 100 parts by mass of the catalyst-carrying particles in terms of carrier. The blending amount of the carbon fiber was set to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supporting particles in terms of the carrier. The blending amount of the dispersion medium was such that the solid content concentration of the catalyst ink was 10% by mass. The dispersion treatment was carried out for 60 minutes at a rotation speed of 600 rpm using zirconia balls with a diameter of 3 mm and a planetary ball mill. Details of each component used in the catalyst ink are as follows.
触媒担持粒子:フッ素系化合物により形成される疎水性被膜を備えた白金担持カーボン触媒(担持密度50質量%、疎水性被膜の厚さ25nm)
高分子電解質:フッ素系高分子電解質(和光純薬工業社製ナフィオン(登録商標)分散液)
カーボンファイバー:親水化されていないカーボンファイバー(昭和電工社製VGCF-H(登録商標))に対して、酸素プラズマ処理による親水化処理を施したカーボンファイバー(平均繊維長6μm、平均繊維径150nm)
分散媒:水と1-プロパノールの質量比1:1の混合液
次に、ダイコーターを用いて、高分子電解質膜(Dupont社製ナフィオン(登録商標)211)の片面に対して、調製した触媒インクを塗布することにより、縦50mm×横50mmの四角形状の塗膜を形成した。触媒インクの塗布量は、白金担持量が0.3mg/cm2となる量とした。そして、80℃のオーブンを用いた乾燥処理を実施し、塗膜に含まれる分散媒を揮発させることにより、カソード側電極触媒層を形成した。
Catalyst-carrying particles: platinum-carrying carbon catalyst with a hydrophobic coating formed from a fluorine-based compound (carrying density: 50% by mass, thickness of hydrophobic coating: 25 nm)
Polymer electrolyte: fluorine-based polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
Carbon fiber: Carbon fiber (average fiber length 6 μm, average fiber diameter 150 nm) obtained by hydrophilizing carbon fiber (VGCF-H (registered trademark) manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) that is not hydrophilized by oxygen plasma treatment.
Dispersion medium: a mixture of water and 1-propanol at a mass ratio of 1:1 Next, using a die coater, a prepared catalyst is applied to one side of a polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 211 manufactured by Dupont) By applying the ink, a square coating film of 50 mm long×50 mm wide was formed. The amount of catalyst ink applied was such that the amount of supported platinum was 0.3 mg/cm 2 . Then, a drying process was performed using an oven at 80° C. to volatilize the dispersion medium contained in the coating film, thereby forming a cathode-side electrode catalyst layer.
次に、高分子電解質膜におけるカソード側電極触媒層が形成された面の反対の面に対して、調製した触媒インクを塗布することにより、縦50mm×横50mmの四角形状の塗膜を形成した。触媒インクの塗布量は、白金担持量が0.1mg/cm2となる量とした。そして、80℃のオーブンを用いた乾燥処理を実施し、塗膜に含まれる分散媒を揮発させてアノード側電極触媒層を形成することにより、実施例1の膜電極接合体を得た。 Next, the prepared catalyst ink was applied to the surface of the polymer electrolyte membrane opposite to the surface on which the cathode-side electrode catalyst layer was formed, thereby forming a square coating film of 50 mm long×50 mm wide. . The amount of catalyst ink applied was such that the amount of supported platinum was 0.1 mg/cm 2 . Then, a drying treatment was performed using an oven at 80° C. to volatilize the dispersion medium contained in the coating film to form an anode-side electrode catalyst layer, thereby obtaining a membrane electrode assembly of Example 1.
[比較例1]
触媒担持粒子の種類を変更した点以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例1の膜電極接合体を得た。比較例1で用いた触媒担持粒子の詳細は以下のとおりである。
[Comparative Example 1]
A membrane electrode assembly of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the type of catalyst-carrying particles was changed. The details of the catalyst-supporting particles used in Comparative Example 1 are as follows.
触媒担持粒子:疎水性被膜を備えていない白金担持カーボン触媒(担持密度50質量%)
[比較例2]
カーボンファイバーの種類を変更した点以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例2の膜電極接合体を得た。比較例2で用いたカーボンファイバーの詳細は以下のとおりである。
Catalyst-carrying particles: platinum-carrying carbon catalyst without hydrophobic coating (carrying density: 50% by mass)
[Comparative Example 2]
A membrane electrode assembly of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the type of carbon fiber was changed. Details of the carbon fiber used in Comparative Example 2 are as follows.
カーボンファイバー:親水化されていないカーボンファイバー(昭和電工社製VGCF-H(登録商標)、平均繊維長6μm、平均繊維径150nm)
[比較例3]
触媒担持粒子の種類を変更した点及びカーボンファイバーの種類を変更した点以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例3の膜電極接合体を得た。比較例3で用いた触媒担持粒子及びカーボンファイバーの詳細は以下のとおりである。
Carbon fiber: non-hydrophilized carbon fiber (VGCF-H (registered trademark) manufactured by Showa Denko, average fiber length 6 μm, average fiber diameter 150 nm)
[Comparative Example 3]
A membrane electrode assembly of Comparative Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the type of catalyst-carrying particles and the type of carbon fiber were changed. The details of the catalyst-supporting particles and carbon fiber used in Comparative Example 3 are as follows.
触媒担持粒子:疎水性被膜を備えていない白金担持カーボン触媒(担持密度50質量%)
カーボンファイバー:親水化されていないカーボンファイバー(昭和電工社製VGCF-H(登録商標)、平均繊維長6μm、平均繊維径150nm)
[比較例4]
カーボンファイバーの配合量を、担体換算の触媒担持粒子の配合量100質量部に対して70質量部となる量とした点以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例4の膜電極接合体を得た。
Catalyst-carrying particles: platinum-carrying carbon catalyst without hydrophobic coating (carrying density: 50% by mass)
Carbon fiber: non-hydrophilized carbon fiber (VGCF-H (registered trademark) manufactured by Showa Denko, average fiber length 6 μm, average fiber diameter 150 nm)
[Comparative Example 4]
A membrane electrode junction of Comparative Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of carbon fiber compounded was 70 parts by mass with respect to the compounded amount of catalyst-supporting particles of 100 parts by mass in terms of carrier. got a body
[比較例5]
カーボンファイバーの配合量を、担体換算の触媒担持粒子の配合量100質量部に対して2質量部となる量とした点以外は、実施例1と同様の方法によって、比較例5の膜電極接合体を得た。
[Comparative Example 5]
A membrane electrode junction of Comparative Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of carbon fiber was 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supporting particles in terms of the carrier. got a body
[発電性能の評価]
実施例1及び比較例1~5の膜電極接合体の各々について、膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層であるカーボンペーパーを貼りあわせてサンプルを作製した。各サンプルを、発電評価セル内に設置し、燃料電池測定装置を用いて電流電圧測定を行った。測定時のセル温度は、80℃に設定した。運転条件は、以下に示す高加湿条件及び低加湿条件を採用した。また、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして空気を用いた。この際に、水素を水素利用率が80%となる流量で流すとともに、空気を酸素利用率が40%となる流量で流した。なお、背圧は50kPaとした。
[Evaluation of power generation performance]
For each of the membrane electrode assemblies of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, a sample was prepared by laminating carbon paper as a gas diffusion layer so as to sandwich the membrane electrode assembly. Each sample was placed in a power generation evaluation cell, and current-voltage measurement was performed using a fuel cell measuring device. The cell temperature during measurement was set at 80°C. As operating conditions, the following high humidification conditions and low humidification conditions were adopted. Hydrogen was used as the fuel gas, and air was used as the oxidant gas. At this time, hydrogen was flowed at a flow rate at which the hydrogen utilization rate was 80%, and air was flowed at a flow rate at which the oxygen utilization rate was 40%. In addition, the back pressure was set to 50 kPa.
(運転条件)
高加湿条件:相対湿度 アノード90%RH、カソード80%RH
低加湿条件:相対湿度 アノード90%RH、カソード30%RH
測定された各サンプルの発電性能を表1の発電性能欄に示す。なお、表1では、電流密度が2.0A/cm2のときの電圧が0.65V以上である場合を「〇」で示し、同電圧が0、65V未満である場合を「×」で示している。
(Operating conditions)
High humidification conditions: relative humidity anode 90% RH, cathode 80% RH
Low humidification conditions: relative humidity anode 90% RH,
The measured power generation performance of each sample is shown in the power generation performance column of Table 1. In Table 1, the case where the voltage is 0.65 V or more when the current density is 2.0 A/cm 2 is indicated by "◯", and the case where the same voltage is less than 0.65 V is indicated by "x". ing.
一方、疎水性被膜を備えていない触媒担持粒子を採用した比較例1を用いた場合には、高加湿条件における発電性能が低下した。親水化処理されていないカーボンファイバーを採用した比較例2を用いた場合には、低加湿条件における発電性能が低下した。疎水性被膜を備えていない触媒担持粒子及び親水化処理されていないカーボンファイバーを採用した比較例3を用いた場合には、高加湿条件及び低加湿条件の両方における発電性能が低下した。 On the other hand, in the case of using Comparative Example 1 in which the catalyst-carrying particles without the hydrophobic coating were used, the power generation performance under high humidification conditions was lowered. In the case of using Comparative Example 2, which employs carbon fibers that have not been hydrophilized, the power generation performance deteriorated under low humidification conditions. When using Comparative Example 3, which employs catalyst-supporting particles without a hydrophobic coating and carbon fibers that have not been hydrophilized, the power generation performance deteriorated under both high and low humidification conditions.
実施例1及び比較例1~3の結果から、疎水性被膜を備える触媒担持粒子及び親水化処理されたカーボンファイバーを組み合わせて用いることにより、高加湿条件及び低加湿条件の両方の運転条件における発電性能を向上させる効果が得られることが示された。この効果が得られるメカニズムは、以下のように推測される。実施例1では、電極触媒層を形成する触媒インクに、疎水性の物質である、疎水性被膜を備える触媒担持粒子と、親水性の物質である、親水化処理されたカーボンファイバーとを含有させている。これにより、塗布された触媒インクを乾燥させて電極触媒層を形成する際に、電極触媒層内に形成される空隙の形状及び分布などの構成が、発電時において、気体の水を層内に残しつつ、液体の水を層外へ排出することに適した構成になる。その結果、高加湿条件及び低加湿条件の両方の運転条件における発電性能が向上する。 From the results of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, by using a combination of catalyst-supporting particles with a hydrophobic coating and hydrophilized carbon fibers, power generation under both high and low humidification operating conditions. It was shown that the effect of improving the performance can be obtained. The mechanism by which this effect is obtained is presumed as follows. In Example 1, the catalyst ink that forms the electrode catalyst layer contains catalyst-carrying particles with a hydrophobic coating, which are hydrophobic substances, and hydrophilic carbon fibers, which are hydrophilic substances. ing. As a result, when the applied catalyst ink is dried to form the electrode catalyst layer, the configuration such as the shape and distribution of the voids formed in the electrode catalyst layer can be changed during power generation to allow gaseous water to enter the layer. The structure is suitable for discharging liquid water out of the layer while leaving it. As a result, power generation performance is improved under both high humidification and low humidification operating conditions.
また、親水化カーボンファイバーの含有量が5質量部以上30質量部以下の範囲外である比較例4及び比較例5を用いた場合には、高加湿条件及び低加湿条件の両方における発電性能が低下した。比較例4及び比較例5の結果から、実施例1により得られる、高加湿条件及び低加湿条件における発電性能を向上させる効果は、疎水性被膜を備える触媒担持粒子及び親水化処理されたカーボンファイバーを単純に組み合わせて用いるのみでは得られないことが示された。そして、上記効果を得るためには、疎水性被膜を備える触媒担持粒子及び親水化処理されたカーボンファイバーを用いることに加えて、親水化カーボンファイバーの含有量を特定範囲に設定する必要があることが示された。 Further, when using Comparative Examples 4 and 5 in which the content of the hydrophilized carbon fiber is outside the range of 5 parts by mass or more and 30 parts by mass or less, the power generation performance under both high humidification conditions and low humidification conditions is low. Decreased. From the results of Comparative Examples 4 and 5, the effect of improving the power generation performance under high humidification conditions and low humidification conditions obtained by Example 1 was confirmed by the catalyst-supporting particles provided with a hydrophobic coating and the hydrophilized carbon fiber. It was shown that it cannot be obtained by simply combining and using. In order to obtain the above effect, it is necessary to set the content of the hydrophilized carbon fiber to a specific range in addition to using the catalyst-carrying particles provided with a hydrophobic coating and the hydrophilized carbon fiber. It has been shown.
10…膜電極接合体
11…高分子電解質膜
12C…カソード側電極触媒層
12A…アノード側電極触媒層
20…第1電極触媒層
21…触媒担持粒子
21a…触媒
21b…担体
21c…疎水性被膜
22…高分子電解質
23…親水化カーボンファイバー
30…固体高分子形燃料電池
31a、31b…ガス拡散層
32a、32b…セパレーター
33a、33b…ガス流路
34a、34b…冷却水流路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
疎水性被膜を有する触媒担持粒子と、高分子電解質と、平均繊維長が0.7μm以上20μm以下である親水化カーボンファイバーとを含み、
前記触媒担持粒子は、担体と、前記担体に担持された触媒とを含み、
前記担体の含有量を100質量部としたとき、前記親水化カーボンファイバーの含有量は、5質量部以上30質量部以下であることを特徴とする電極触媒層。 An electrode catalyst layer bonded to a polymer electrolyte membrane in a membrane electrode assembly,
Catalyst-supporting particles having a hydrophobic coating, a polymer electrolyte, and hydrophilic carbon fibers having an average fiber length of 0.7 μm or more and 20 μm or less,
The catalyst-supporting particles comprise a carrier and a catalyst supported on the carrier,
The electrode catalyst layer, wherein the content of the hydrophilized carbon fiber is 5 parts by mass or more and 30 parts by mass or less when the content of the carrier is 100 parts by mass.
請求項1~3のいずれか一項に記載の電極触媒層とを備え、
前記電極触媒層が、前記高分子電解質膜に接合されている膜電極接合体。 a polymer electrolyte membrane;
An electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 3,
A membrane electrode assembly, wherein the electrode catalyst layer is bonded to the polymer electrolyte membrane.
前記膜電極接合体の厚さ方向に前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、
前記膜電極接合体の厚さ方向に前記膜電極接合体及び前記一対のガス拡散層を挟む一対のセパレーターとを備える固体高分子形燃料電池。 a membrane electrode assembly according to claim 4;
a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly in the thickness direction of the membrane electrode assembly;
A polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly and the pair of gas diffusion layers in the thickness direction of the membrane electrode assembly.
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