JP5396730B2 - 膜電極接合体 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の膜電極接合体の一般的な全体構造を模式的に表した断面概略図である。図1に示すように、本発明の膜電極接合体100は、アノード触媒層120aおよびカソード触媒層120cが、固体高分子電解質膜110の両面に対向して配置されている。そして、これを一対のアノード側ガス拡散層140aおよびカソード側ガス拡散層140cが挟持してなる。アノード触媒層120aおよびカソード触媒層120cは、電極触媒および高分子電解質を含む。この電極触媒は、導電性担体が触媒成分を担持してなる。
電極触媒層には、アノード触媒層およびカソード触媒層の2つがある。以下、アノード触媒層とカソード触媒層との区別をしないときは、単に「電極触媒層」とも称する。電極触媒層は、電気化学反応により、電気エネルギーを生み出す機能を有する。アノード触媒層では水素の酸化反応により、プロトンおよび電子が生成する。ここで生じたプロトンおよび電子は、カソード触媒層での酸素の還元反応に用いられる。
固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有する高分子電解質から構成され、固体高分子形燃料電池の運転時にアノード触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
ガス拡散層には、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の2つがある。以下、アノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層との区別をしないときは、単に「ガス拡散層」という。ガス拡散層は、後述するセパレータが有するガス流路を介して供給された反応ガスの触媒層への拡散を促進させる機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
導電性担体は、触媒成分を担持する担体であって、導電性を有する。導電性担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるのに充分な比表面積を有し、かつ、充分な電子伝導性を有するものであればよい。導電性担体の組成は、主成分がカーボンであることが好ましい。導電性担体の材質として、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容できることを意味する。
触媒成分は、上記電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。導電性担体に担持される触媒成分は、上述した電気的化学反応を促進する触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、従来公知の触媒成分を適宜採用できる。触媒成分として、具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、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、アルミニウムなどの金属、およびこれらの合金などが挙げられる。これらのうち、触媒活性、耐溶出性などに優れるという観点からは、触媒成分は少なくとも白金を含むことが好ましい。電極触媒層の触媒成分として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者によって適宜選択できるが、好ましくは白金が30〜90原子%程度、合金化する他の金属が10〜70原子%程度である。なお、「合金」とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質を有しているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。ここで、合金組成の特定は、ICP発光分析法を用いることで可能である。
高分子電解質は、電極触媒層のプロトン伝導性を向上させる機能を有する。電極触媒層に含まれる高分子電解質の具体的な形態に特に制限はなく、燃料電池の技術分野において従来公知の知見が適宜参照できる。例えば、電極触媒層に含まれる高分子電解質としては、上述した固体高分子電解質膜を構成する高分子電解質を同様に用いることができる。そのため、高分子電解質の具体的な形態の詳細はここでは省略する。なお、電極触媒層に含まれる高分子電解質は、1種単独であってもよいし、2種以上であってもよい。
本発明の膜電極接合体の製造方法は特に制限されず、膜電極接合体の製造分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造できる。以下、本発明の膜電極接合体の製造方法を簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。
本発明の燃料電池は、本発明の膜電極接合体と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。そのため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられている。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
ガスケットは、一対の電極触媒層およびガス拡散層を包囲するように燃料電池の周囲に配置され、触媒層に供給されたガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。ガス拡散電極とは、ガス拡散層および電極触媒層の接合体をいう。ガスケットを構成する材料としては、特に制限はないが、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴムなどのゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステルなどの熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスケットの厚さにも特に制限はなく、好ましくは50μm〜2mmであり、より好ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。
さらに、本発明は、上記燃料電池の運転方法を提供する。上述したように、本発明に係る電極触媒層は、ガス拡散性および保水性が高い。よって、この電極触媒層を有する本発明の燃料電池は、特に、高加湿条件下において、優れた発電性能を有する。そこで、上記空孔構造を有する電極触媒層に燃料ガスまたは酸化剤ガスを高加湿条件で供給して燃料電池を運転することによって、本発明の効果がより顕著なものとなる。
上述した本発明の燃料電池や燃料電池スタックを搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。本発明の燃料電池や燃料電池スタックは、高加湿条件における出力性能に非常に優れているため、高出力を要求される車両用途に適している。
(カソード用触媒インクの調製)
<実施例1>
導電性担体としてのカーボンブラックに白金を触媒成分として担持した触媒担持体(白金含有率46質量%)16g、高分子電解質分散液(イオン交換容量1.0mmol/g、電解質含有率12質量%、イオン交換水含有率88質量%)70g、イオン交換水3g、1−プロパノール16g、プロピレングリコール49gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.770μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液70g、イオン交換水3g、エタノール16g、プロピレングリコール49gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.820μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液70g、イオン交換水19g、1−プロパノール16g、プロピレングリコール32gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.840μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体16g、実施例1と同様の高分子電解質分散液37g、イオン交換水18g、プロピレングリコール78gを混合し、サンドミルを用いて10分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.860μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液30g、イオン交換水2g、1−プロパノール112gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.488μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液30g、イオン交換水57g、プロピレングリコール56gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.538μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液16g、イオン交換水78g、1−プロパノール49gを混合し、サンドミルを用いて120分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.380μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液16g、イオン交換水78g、1−プロパノール49gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.528μm)を得た。
実施例1と同様の触媒担持体7g、実施例1と同様の高分子電解質分散液30g、イオン交換水57g、メタノール56gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、カソード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.489μm)を得た。
導電性担体としてのカーボンブラックに、白金を触媒成分として担持した触媒担持体(白金含有率46質量%)5g、高分子電解質分散液(イオン交換容量1.0mmol/g、電解質含有率22質量%、1−プロパノール含有率42質量%、イオン交換水含有率36質量%)11g、イオン交換水81g、1−プロパノール52gを混合し、サンドミルを用いて30分間混合分散することで、アノード用触媒インク(触媒粒子の平均体積粒子径0.420μm)を得た。
<実施例1〜4>
80mm四方の正方形で厚さ80μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シートを2枚用意した。このPTFE製シートの片面にカソード用触媒インクを0.3mg−Pt/cm2となるようにスクリーンプリンターを用いて塗布後、130℃のドライオーブン中で30分間乾燥した。もう1枚のPTFE製シートの片面にアノード用触媒インクを0.1mg−Pt/cm2となるように、スクリーンプリンターを用いて塗布後、130℃のドライオーブン中で30分間乾燥した。
80mm四方の正方形で厚さ25μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製、NAFION NRE−211)を用意した。この固体高分子電解質膜の片面にアノード用触媒インクを0.1mg−Pt/cm2となるように、スプレーコーティングにより塗布後、80℃のホットプレート上で15分間乾燥した。この固体高分子電解質膜のもう一方の面にカソード用触媒インクを0.3mg−Pt/cm2となるように、スプレーコーティングにより塗布後、80℃のホットプレート上で15分間乾燥し(実施例6のみ、この後さらに130℃のドライオーブン中で30分間乾燥した)、電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を得た。
上記で作製した電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を挟むように、2枚のガス拡散層(SGLカーボン社製、GDL25BC)をガス拡散層のカーボン粒子層が対向するように重ねて膜電極接合体とした。これを2枚のグラファイト製セパレータ、2枚の金メッキしたステンレススチール製集電板、2枚のステンレススチール製エンドプレートの順序で挟持し、評価用燃料電池単セルとした。
カソード用触媒インクを固体高分子電解質膜の両面に0.3mg−Pt/cm2になるように塗布した。それ以外は、上記の電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体の作製と同様の方法で、実施例1〜6および比較例1〜4の電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を作製した。得られた電極触媒層−固体高分子電解質膜接合体を20cm2に切り出し、これをセル容積約6cc、ステム容積約0.39ccの測定用セル内に導入した。この測定用セルをオートポアIV 9510型(マイクロメリティクス製)にセットして水銀圧入量の測定を実施し、空孔直径が400μm〜3nmの範囲の、積算空孔容積(cm3/g−Pt)、およびログ微分空孔容積(cm3/g−Pt)を得た。
周波数応答解析器(Frequency Response Analyzer;FRA)に接続した電位・電流を制御するポテンシオ・ガルバノスタットを用い、電気化学的な交流インピーダンス測定により電解質抵抗値を算出した。FRAは正弦波発信回路を内蔵し、変調周波数を自動走査してインピーダンスのスペクトルを決める。FRAから正弦波信号をポテンシオ・ガルバノスタットに送り、ポテンシオ・ガルバノスタットが正弦波電位変調をセルに与えて、応答電流を測定する。変調電位と変調電流はポテンシオ・ガルバノスタットからFRAに出力され、各周波数でのインピーダンスが決定される。ここで測定条件を、印加電位450mV、電位振幅10mV、周波数範囲100mHz〜15kHzとした。
[燃料電池単セルの評価]
燃料電池単セルの温度を80℃とし、ガス流路のセルへの入り口付近の相対湿度(RH)を40%、70%、または100%に設定した。そして、常圧下で、アノード側から水素を毎分4Lの流量で供給し、カソード側から空気を毎分8Lの流量で供給することにより燃料電池単セルの運転を行った。この条件で、電流密度1A/cm2のときの単セル電圧を測定した。また、40%RH、70%RH、および100%RH条件下で測定した電圧のうちで最大の電圧(最大電圧)を基準とした、各々のRH条件下で測定した電圧(測定電圧)の変化率(%)を下記数式1に従って算出した。
110 固体高分子電解質膜、
120a アノード触媒層、
120c カソード触媒層、
140a アノード側ガス拡散層、
140c カソード側ガス拡散層、
150a アノード側セパレータ、
150c カソード側セパレータ、
152a 燃料ガス流路、
152c 酸化剤ガス流路、
160 ガスケット、
200 固体高分子形燃料電池。
Claims (9)
- 導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含むアノード触媒層触媒層およびカソード触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、これを一対のガス拡散層で挟持してなる膜電極接合体であって、
前記アノード触媒層または前記カソード触媒層の少なくとも一部に、水銀圧入法による空孔分布において(1)空孔直径0.01〜0.10μmの範囲における最頻空孔径が0.045〜0.060μmの範囲に存在し、(2)前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.045μm/(cm3g−1)以下である空孔構造が存在し、
前記半値幅が0.045μm以下であり、
前記空孔構造において、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.40〜0.60cm3g−1であり、
前記カソード触媒層の少なくとも一部が前記空孔構造を有することを特徴とする、膜電極接合体。 - 前記最頻空孔径が0.045〜0.050μmの範囲に存在し、前記最頻空孔径のピークのピーク高さに対する半値幅の比が0.025μm/(cm3g−1)以下である、請求項1に記載の膜電極接合体。
- 前記半値幅が0.030μm以下である、請求項1または2に記載の膜電極接合体。
- 前記空孔構造において、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.40〜0.50cm3g−1である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記最頻空孔径が0.050〜0.060μmの範囲に存在する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記空孔構造において、空孔直径0.01〜0.50μmの範囲の全空孔容積が0.47〜0.60cm3g−1である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータと、
を有する燃料電池。 - 前記酸化剤ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給する、請求項7に記載の燃料電池の運転方法。
- 前記燃料ガスを相対湿度70〜100%の条件で供給する、請求項7に記載の燃料電池の運転方法。
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