JP2023084320A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to fuel cells.
燃料電池は、一般に、電解質膜の両側にアノードとカソードが配置された積層構造を有する。アノードとカソードは、カーボン粒子のような担体粒子にプラチナ触媒が担持された触媒層を含む。 A fuel cell generally has a laminated structure with an anode and a cathode located on opposite sides of an electrolyte membrane. The anode and cathode include catalyst layers in which a platinum catalyst is supported on carrier particles such as carbon particles.
触媒層の材料は、燃料電池の運転状況により劣化することが知られている。例えば、燃料電池の起動又は停止時の高電位のカソードでは、カーボンと水の酸化反応が進み、触媒層中のカーボンの腐食が発生しやすい。カソードの耐久性を高めるため、カーボンに代えて金属酸化物からなる担体粒子の使用が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 It is known that the material of the catalyst layer deteriorates depending on the operating conditions of the fuel cell. For example, at the high-potential cathode when the fuel cell is started or stopped, the oxidation reaction between carbon and water proceeds, and the carbon in the catalyst layer tends to corrode. In order to improve the durability of the cathode, the use of carrier particles made of metal oxide instead of carbon has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
アノードにおいても、急激な出力変動等のために水素の供給が不足すると、上記酸化反応が起こってカーボンが腐食することがある。そこで、触媒として酸化イリジウム等の水電解触媒粒子の使用が提案されている(例えば、特許文献2参照)。水電解触媒粒子の存在下では、水は電気分解しやすく、カーボンとの反応が起こりにくいため、カーボンの腐食を抑えることができる。 Also in the anode, if the supply of hydrogen is insufficient due to rapid output fluctuations or the like, the oxidation reaction described above may occur and the carbon may corrode. Therefore, the use of water electrolysis catalyst particles such as iridium oxide as a catalyst has been proposed (see, for example, Patent Document 2). In the presence of the water electrocatalyst particles, water is easily electrolyzed and hardly reacts with carbon, so corrosion of carbon can be suppressed.
しかし、カーボンは触媒層だけでなく、触媒層の両側に設けられるマイクロポーラス層又はガス拡散層にも使用されることが多い。よって、触媒層のカーボンの腐食を抑えても、マイクロポーラス層又はガス拡散層中のカーボンの腐食を抑えることはできない。また、イリジウム等の材料は高価であり、コストを増加させる要因となる。 However, carbon is often used not only in the catalyst layer, but also in microporous layers or gas diffusion layers provided on both sides of the catalyst layer. Therefore, even if corrosion of carbon in the catalyst layer is suppressed, corrosion of carbon in the microporous layer or gas diffusion layer cannot be suppressed. Also, materials such as iridium are expensive, which is a factor in increasing costs.
本発明は、燃料電池の耐久性を高めることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the durability of a fuel cell.
本願発明の一実施形態は、電解質膜(1)の両側に触媒層(21)が積層された、固体高分子型の燃料電池(10)である。燃料電池(10)は、触媒層(21)上にマイクロポーラス層(22)を備える。マイクロポーラス層(22)は、導電性の金属化合物を含有する。 One embodiment of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell (10) in which catalyst layers (21) are laminated on both sides of an electrolyte membrane (1). The fuel cell (10) comprises a microporous layer (22) on a catalyst layer (21). The microporous layer (22) contains a conductive metal compound.
本発明によれば、燃料電池の耐久性を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, durability of a fuel cell can be improved.
以下、本発明の燃料電池の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する構成は本発明の一例(代表例)であり、本発明はこの構成に限定されない。 Embodiments of the fuel cell of the present invention will be described below with reference to the drawings. The configuration described below is an example (representative example) of the present invention, and the present invention is not limited to this configuration.
(燃料電池)
図1は、本実施形態の燃料電池10のセル構造を示す。燃料電池10は、このような構造を有するセル単体であってもよいし、複数のセルが積層されたスタックであってもよい。本実施形態の燃料電池10は、固体高分子型の燃料電池である。燃料電池10は、例えば車両等の移動体に搭載され、燃料ガスを化学反応させて発電することにより移動体の駆動電力を供給するが、移動体に限らず、定置発電システム等の燃料電池にも本発明を適用できる。
(Fuel cell)
FIG. 1 shows the cell structure of a
図1に示すように、燃料電池10は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)3と、MEA3の両側に配置された1対のセパレータ4と、MEA3の外周縁を囲むサブガスケット5と、を備える。MEA3は、電解質膜1の両側に電極2が配置された積層体である。
As shown in FIG. 1, a
(電解質膜)
電解質膜1は、イオン伝導性の高分子電解質の膜である。電解質膜1に使用できる高分子電解質としては、例えばナフィオン(登録商標)、アクイヴィオン(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸ポリマー;スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スルホン化ポリイミド等の芳香族系ポリマー;ポリビニルスルホン酸、ポリビニルリン酸等の脂肪族系ポリマー等が挙げられる。
(electrolyte membrane)
The electrolyte membrane 1 is an ion-conducting polymer electrolyte membrane. Examples of polymer electrolytes that can be used for the electrolyte membrane 1 include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark) and Aquivion (registered trademark); Polymer; aliphatic polymers such as polyvinyl sulfonic acid and polyvinyl phosphoric acid.
電解質膜1は、耐久性向上の観点から、多孔質基材1aに高分子電解質を含浸させた複合膜であることができる。多孔質基材1aとしては、高分子電解質を担持できる空隙を有するのであれば特に限定されず、多孔質状、織布状、不織布状、フィブリル状等の膜を用いることができる。多孔質基材1aの材料としても特に限定されないが、イオン伝導性を高める観点から、上述したような高分子電解質を用いることができる。なかでも、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、及びポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素系ポリマーは、強度及び形状安定性に優れる。
The electrolyte membrane 1 can be a composite membrane in which a
1対の電極2のうち、一方の電極2はアノードであり、燃料極とも呼ばれる。他方の電極2はカソードであり、空気極とも呼ばれる。燃料ガスとして、アノードには水素ガスが供給され、カソードには酸素ガスを含む空気が供給される。
One
アノードでは、下記反応式(1)に示すように、水素ガス(H2)から電子(e-)とプロトン(H+)を生成する反応が生じる。電子は、図示しない外部回路を経由してカソードへ移動する。この電子の移動により外部回路では電流が発生する。プロトンは電解質膜1を経由してカソードへ移動する。
(1) 2H2→4H++4e-
At the anode, a reaction occurs to generate electrons (e − ) and protons (H + ) from hydrogen gas (H 2 ), as shown in the following reaction formula (1). The electrons move to the cathode via an external circuit (not shown). This movement of electrons generates a current in an external circuit. Protons move through the electrolyte membrane 1 to the cathode.
(1) 2H 2 →4H + +4e −
カソードでは、外部回路から移動してきた電子により、下記反応式(2)に示すように、酸素ガス(O2)から酸素イオン(O2
-)が生成される。酸素イオンは、電解質膜1から移動してきたプロトン(2H+)と結合して、水(H2O)になる。
(2) O2+4H++4e-→2H2O
At the cathode, electrons transferred from the external circuit generate oxygen ions (O 2 − ) from oxygen gas (O 2 ) as shown in the following reaction formula ( 2 ). Oxygen ions combine with protons (2H + ) transferred from the electrolyte membrane 1 to form water (H 2 O).
(2) O 2 +4H + +4e − →2H 2 O
燃料電池10の起動又は停止時、カソードが高電位に達すると、下記反応式(3)に示す酸化反応が起こり、カソードに用いられるカーボンの腐食が進むことがある。アノードにおいても、急激な出力変動等によって水素の供給が不足すると、同様の酸化反応が起こってカーボンが腐食することがある。
(3) C+2H2O→CO2+4H++4e-
When the cathode reaches a high potential when the
(3) C+2H 2 O→CO 2 +4H + +4e −
本実施形態において、電極2は、触媒層21、マイクロポーラス層22及びガス拡散層23を含む。電解質膜1の両側には、触媒層21、マイクロポーラス層22及びガス拡散層23がこの順に積層されている。
In this embodiment,
触媒層21は、触媒によって水素ガス及び酸素ガスの反応を促進する。触媒層21は、触媒と、触媒を担持する担体及びこれらを被覆するアイオノマーを含む。触媒層21は、さらに水電解性の触媒粒子を含有することができ、特にアノード側の触媒層21が含有することが好ましい。
The
触媒としては、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)等の金属、これら金属の混合物、合金等の粒子が挙げられる。なかでも、触媒活性、一酸化炭素に対する耐被毒性、耐熱性等の観点から、白金、白金を含む混合物又は合金が好ましい。 Examples of catalysts include particles of metals such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), rhodium (Rh), palladium (Pd), tungsten (W), mixtures of these metals, and alloys. . Among them, platinum, mixtures or alloys containing platinum are preferable from the viewpoint of catalytic activity, carbon monoxide poisoning resistance, heat resistance, and the like.
担体としては、例えばメソポーラスカーボン、Ptブラック等の導電性の金属化合物の多孔質粒子が挙げられる。なかでも、メソポーラスカーボンは、分散性が良好で表面積が大きく、触媒の担持量が多い場合でも高温での粒子成長が少ない観点から好ましい。
アイオノマーとしては、電解質膜1と同様のイオン伝導性の高分子電解質を使用することができる。
Examples of the carrier include porous particles of conductive metal compounds such as mesoporous carbon and Pt black. Among them, mesoporous carbon is preferable from the viewpoint of good dispersibility, large surface area, and little particle growth at high temperatures even when a large amount of catalyst is supported.
As the ionomer, an ion-conducting polymer electrolyte similar to that of the electrolyte membrane 1 can be used.
水電解性の触媒粒子としては、例えばイリジウム、ルテニウム、レニウム、パラジウム、ロジウム、又はこれらの酸化物等の粒子が挙げられる。これら粒子は水の電気分解を促進するため、水素欠乏時の触媒層21中のカーボンと水との酸化反応を抑えて、触媒層21の耐久性を高めることができる。
Examples of water-electrolytic catalyst particles include particles of iridium, ruthenium, rhenium, palladium, rhodium, oxides thereof, and the like. Since these particles promote the electrolysis of water, the oxidation reaction between carbon and water in the
触媒層中の水電解性の触媒粒子の含有量は、カーボンの腐食を抑える観点からは、0.2質量%以上であることが好ましく、0.5質量%以上がより好ましく、1.0質量%以上がさらに好ましい。上記含有量は、過剰な水の電気分解を避ける観点から、5.0質量%以下であることが好ましく、3.0質量%以下がより好ましく、2.0質量%以下がさらに好ましい。 From the viewpoint of suppressing corrosion of carbon, the content of the water-electrolytic catalyst particles in the catalyst layer is preferably 0.2% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and 1.0% by mass. % or more is more preferable. From the viewpoint of avoiding excessive electrolysis of water, the content is preferably 5.0% by mass or less, more preferably 3.0% by mass or less, and even more preferably 2.0% by mass or less.
(マイクロポーラス層)
マイクロポーラス層22は、多孔質であり、ガス拡散層23から触媒層21への燃料ガス(水素ガス及び酸素を含む空気)の流れ、又は触媒層21からガス拡散層23への排水の流れを円滑化することができる。
(microporous layer)
The
触媒層21、マイクロポーラス層22及びガス拡散層23は多孔質であるが、各層中の孔のサイズは、通常、ガス拡散層23よりもマイクロポーラス層22の方が小さく、マイクロポーラス層22よりも触媒層21の方が小さい。このような勾配により、ガス又は水が流れやすい傾向がある。
The
(ガス拡散層)
ガス拡散層23は、燃料電池10に供給された燃料ガスを触媒層21の全面に均一に拡散させることができる。
ガス拡散層23は、導電性の多孔質基材を備える。多孔質基材としては、例えばカーボンフェルト、カーボン繊維シート等の繊維シート、発泡金属シート等の発泡シート、又はエキスパンドメタル等のメッシュシート等が挙げられる。
(Gas diffusion layer)
The
サブガスケット5は、MEA3の外周側の端部に設けられたフィルム又はプレートである。サブガスケット5は、電解質膜1の端部を保護し、MEA3の支持体として機能する。サブガスケット5の材料としては、導電性が低い樹脂を用いることができる。樹脂材料としては特に限定されず、例えばポリフェニレンスルフィド(PPS)、ガラス入りポリプロピレン(PP-G)、ポリスチレン(PS)、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂等が挙げられる。
The
セパレータ4はバイポーラプレートとも呼ばれる。セパレータ4の材料としては、カーボン、ステンレス鋼等の導電性材料が用いられる。 Separator 4 is also called a bipolar plate. As a material for the separator 4, a conductive material such as carbon or stainless steel is used.
本実施形態のセパレータ4は、凹部4aが設けられた表面を有する。セパレータ4の凹部4aが設けられた面がMEA3と対面したとき、セパレータ4とMEA3との間に流路が設けられる。流路は、燃料ガスの供給路であるだけでなく、発電時の化学反応により生成された水の排出路でもある。
The separator 4 of this embodiment has a surface provided with
(マイクロポーラス層の材料)
本実施形態において、マイクロポーラス層22は、導電性の金属化合物を含有する組成物の層である。このような非カーボン材料である金属化合物の使用により、マイクロポーラス層22中のカーボン量を減らし、高電位下又は水素ガスの欠乏下において上記酸化反応によるカーボンの腐食を減らすことができる。よって、マイクロポーラス層22の劣化を抑え、電極2の耐久性を高めることができる。
(Material of microporous layer)
In this embodiment, the
腐食をより減らす観点からは、組成物中の上記導電性の金属化合物の含有量が高い方が好ましく、組成物がカーボンを含有せず、代わりに上記導電性の金属化合物を含有することがより好ましい。 From the viewpoint of further reducing corrosion, it is preferable that the content of the conductive metal compound in the composition is high, and it is more preferable that the composition does not contain carbon and instead contains the conductive metal compound. preferable.
マイクロポーラス層22は、導電性の金属化合物を含有する組成物を調製し、当該組成物の多孔質膜を形成するか、又は多孔質基材にコートした後、乾燥することにより、形成することができる。組成物は、導電性の金属化合物の他に、バインダー、溶媒等を含有することができる。
The
(導電性の金属化合物)
上記導電性の金属化合物としては、導電性を有する、金属の酸化物、窒化物、又は酸窒化物等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
(Conductive metal compound)
Examples of the conductive metal compound include conductive metal oxides, nitrides, oxynitrides, and the like. These can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
なかでも、導電性又はコストの観点から、遷移金属の金属化合物が好ましく、金属化合物のなかでも金属酸化物がより好ましい。遷移金属としては、導電性又はコストの観点から、チタン等の4族元素又はスズ等の14族元素が好ましく、チタン又はスズがより好ましい。具体的な金属化合物としては、例えば酸化チタン、窒化チタン、酸化スズ、酸化パラジウム、酸化バナジウム、又は窒化タンタル等が挙げられる。 Among these, metal compounds of transition metals are preferred from the viewpoint of conductivity or cost, and among metal compounds, metal oxides are more preferred. From the viewpoint of conductivity or cost, the transition metal is preferably a Group 4 element such as titanium or a Group 14 element such as tin, and more preferably titanium or tin. Specific examples of metal compounds include titanium oxide, titanium nitride, tin oxide, palladium oxide, vanadium oxide, and tantalum nitride.
上記金属化合物は、上記遷移金属とは異なる金属元素がドープされていてもよい。ドープによって正孔又は電子が生じ、金属化合物の導電性が向上しやすい。ドーパントとして使用できる金属元素としては、例えばイットリウム等の希土類元素、ニオブ又はタンタル等の5族元素、タングステン等の6族元素又はアンチモン等の15族元素が挙げられる。導電性又はコストの観点からは、ドーパントはニオブ又はタンタルが好ましい。具体的なドープ化合物としては、例えばタンタルを酸化スズにドープしたタンタルドープ酸化スズ等が挙げられる。 The metal compound may be doped with a metal element different from the transition metal. Holes or electrons are generated by doping, and the conductivity of the metal compound tends to be improved. Metal elements that can be used as dopants include, for example, rare earth elements such as yttrium, Group V elements such as niobium and tantalum, Group VI elements such as tungsten, and Group XV elements such as antimony. Niobium or tantalum is preferred as the dopant from the standpoint of conductivity or cost. Specific doping compounds include, for example, tantalum-doped tin oxide obtained by doping tantalum into tin oxide.
組成物中の導電性の金属化合物の含有量は、耐久性の観点から、50質量%以上が好ましく、60質量%以上がより好ましく、70質量%以上がさらに好ましい。上記含有量の上限は100質量%であってもよいが、バインダー等の他の成分の含有により通常は100質量%未満である。 From the viewpoint of durability, the content of the conductive metal compound in the composition is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, and even more preferably 70% by mass or more. The upper limit of the content may be 100% by mass, but it is usually less than 100% by mass due to the content of other components such as a binder.
(バインダー)
バインダーは特に限定されないが、導電性の観点からはプロトン伝導性が高いアイオノマーが好ましい。アイオノマーとしては、上述した触媒層21中のアイオノマーと同じ化合物を使用することができるが、排水性の観点からは撥水性のフッ素系樹脂が好ましい。
(binder)
Although the binder is not particularly limited, an ionomer having high proton conductivity is preferable from the viewpoint of conductivity. As the ionomer, the same compound as the ionomer in the
溶媒としては、水、エタノール等を適宜用いることができる。溶媒により、組成物の粘度を調整して、組成物を固形状、ペースト状、又はインク状等に調製することができる。 As a solvent, water, ethanol, or the like can be appropriately used. By adjusting the viscosity of the composition with the solvent, the composition can be prepared in the form of a solid, a paste, an ink, or the like.
(マイクロポーラス層の構造)
本実施形態におけるマイクロポーラス層22は、図2に示すように、ガス拡散層23の多孔質基材の表面の一部に積層された上記組成物の層である。例えば、ガス拡散層23の多孔質基材の一部を上記組成物中に浸漬する等して、多孔質基材の表面をコートした後、乾燥することにより、上記組成物の層を多孔質基材の表面に積層することができる。
(Structure of microporous layer)
The
(他の層の材料)
電極2の耐久性をより高める観点からは、ガス拡散層23の多孔質基材も、上記組成物からなることが好ましい。上記組成物からなる多孔質基材は、上記組成物を使用して繊維シート、発泡シート又はメッシュシート等を形成することにより、製造することができる。
(material for other layers)
From the viewpoint of further increasing the durability of the
ガス拡散層23においても組成物中の上記導電性の金属化合物の好ましい含有量は上述したマイクロポーラス層22と同様である。カーボンの腐食を減らす観点からは、各層における上記導電性の金属化合物の含有量が高い方が好ましく、各層のカーボン材料が上記導電性の金属化合物に置き換えられて電極2がカーボンを含有しないことがさらに好ましい。なお、各層に用いられる導電性の金属化合物は、同じであってもよいし、異なってもよい。
In the
以上のように、本実施形態によれば、触媒層21上のマイクロポーラス層22として、導電性の金属化合物を含有する組成物の層が設けられる。当該金属化合物はカーボンではないため、高電位下又は水素欠乏時に腐食するカーボンを減らすことができる。マイクロポーラス層22の劣化を抑えることができ、電極2の耐久性を高めることができる。
As described above, according to this embodiment, a layer of a composition containing a conductive metal compound is provided as the
上記導電性の金属化合物を、マイクロポーラス層22だけでなく、ガス拡散層23にも使用することにより、電極2全体の耐久性を高めることができる。また、ガス拡散層23の腐食によりマイクロポーラス層22との間の界面に生じる抵抗も減らすことができる。
By using the above conductive metal compound not only for the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible.
例えば、マイクロポーラス層22は、上記導電性の金属化合物を含有する組成物からなる多孔質基材であってもよい。この場合、ガス拡散層23がなくともマイクロポーラス層22を形成することができるため、ガス拡散層23がマイクロポーラス層22に置き換えられてもよい。図3は、ガス拡散層23の代わりに単体で配置されたマイクロポーラス層22の例を示す。この場合、マイクロポーラス層22はセパレータ4に接触する。
For example, the
単体で配置されるマイクロポーラス層22は、上記組成物からなる多孔質基材であってもよいし、カーボンや金属等の他の材料からなる多孔質基材の表面に上記組成物の層が積層された積層体であってもよい。耐久性の観点からは、マイクロポーラス層22は、導電性の金属化合物の組成物からなる多孔質基材であることが好ましい。
The
10・・・燃料電池、1・・・電解質膜、2・・・電極、21・・・触媒層、22・・・マイクロポーラス層、23・・・ガス拡散層、3・・・膜電極接合体、4・・・セパレータ、5・・・サブガスケット
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記触媒層(21)上にマイクロポーラス層(22)を備え、
前記マイクロポーラス層(22)が、導電性の金属化合物を含有する
燃料電池(10)。 In a polymer electrolyte fuel cell (10) in which catalyst layers (21) are laminated on both sides of an electrolyte membrane (1),
A microporous layer (22) is provided on the catalyst layer (21),
A fuel cell (10) wherein said microporous layer (22) contains a conductive metal compound.
前記マイクロポーラス層(22)が、前記ガス拡散層(23)の表面に積層された、前記導電性の金属化合物を含有する組成物の層である
請求項1に記載の燃料電池(10)。 a gas diffusion layer (23) on the microporous layer (22);
2. The fuel cell (10) according to claim 1, wherein said microporous layer (22) is a layer of a composition containing said conductive metal compound laminated on the surface of said gas diffusion layer (23).
前記多孔質基材が、導電性の金属化合物を含有する組成物からなる
請求項2に記載の燃料電池(10)。 said gas diffusion layer (23) comprises a porous substrate,
3. The fuel cell (10) of claim 2, wherein the porous substrate comprises a composition containing a conductive metal compound.
請求項1に記載の燃料電池(10)。 The microporous layer (22) is a porous substrate made of a composition containing the conductive metal compound, or a laminate in which a layer of the composition is laminated on the surface of a porous substrate. A fuel cell (10) according to claim 1.
請求項1~4のいずれか一項に記載の燃料電池(10)。 A fuel cell (10) according to any one of the preceding claims, wherein said metal compound is a metal compound of a transition metal.
請求項5に記載の燃料電池(10)。
6. The fuel cell (10) according to claim 5, wherein said metal compound is doped with a metal element different from said transition metal.
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