JP5476753B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極として、触媒層と、ガス拡散層とを接合した構成を有している。このような燃料電池において、触媒層には、一般に、白金等の触媒金属を担持したカーボンブラック、および、電解質が含まれる。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. This fuel cell has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane as gas diffusion electrodes, respectively. In such a fuel cell, the catalyst layer generally contains carbon black carrying a catalyst metal such as platinum and an electrolyte.
ところで、燃料電池では、内部抵抗を減少させて、発電性能の向上を図るために、電解質膜と触媒層とガス拡散層との接触性の確保が求められる。そこで、電解質膜と触媒層とガス拡散層とは、一般に、ホットプレスによって接合される。電解質膜と触媒層との間では、電解質膜の表面が平滑であるので、上記ホットプレスによって、十分な接触性を確保することができる。また、電解質膜と触媒層との間では、上記ホットプレスによって、両者間における電解質の相互拡散が生じ、接触性がさらに向上する。 By the way, in the fuel cell, in order to reduce the internal resistance and improve the power generation performance, it is required to ensure the contact property between the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer. Therefore, the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer are generally joined by hot pressing. Since the surface of the electrolyte membrane is smooth between the electrolyte membrane and the catalyst layer, sufficient contact can be ensured by the hot pressing. Moreover, between the electrolyte membrane and the catalyst layer, the hot press causes mutual diffusion of the electrolyte between the two, and the contact property is further improved.
しかし、触媒層とガス拡散層との間では、十分な接触性を確保することが困難だった。すなわち、一般に、ガス拡散層としては、数十ミクロンの空孔径を有するカーボンペーパや、カーボンクロス等が用いられ、その表面には、空孔径と同等の凹凸が存在する。このため、上述したホットプレスによっても、触媒層とガス拡散層との界面の空隙を埋めるには至らず、触媒層とガス拡散層との間においては、接触不良が生じていた。 However, it has been difficult to ensure sufficient contact between the catalyst layer and the gas diffusion layer. That is, generally, as the gas diffusion layer, carbon paper having a pore diameter of several tens of microns, carbon cloth, or the like is used, and the surface has irregularities equivalent to the pore diameter. For this reason, even the hot pressing described above does not fill the void at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and a contact failure occurs between the catalyst layer and the gas diffusion layer.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層と、ガス拡散層とを備える燃料電池において、触媒層とガス拡散層との接触性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In a fuel cell including a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane, the contact between the catalyst layer and the gas diffusion layer is provided. It aims at improving.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層と、ガス拡散層とを備える燃料電池であって、少なくとも一方の前記触媒層は、前記電解質膜と前記ガス拡散層との間に配置され、前記電解質膜の表面に対して垂直方向に配向し、前記電解質膜の表面に対して垂直方向についての弾性を有するカーボンナノチューブを備えており、前記燃料電池は、前記垂直方向に前記カーボンナノチューブの弾性範囲内の荷重を印加する荷重印加部を備える、燃料電池。 Application Example 1 A fuel cell including a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane, wherein at least one of the catalyst layers is disposed between the electrolyte membrane and the gas diffusion layer. A carbon nanotube oriented in a direction perpendicular to the surface of the electrolyte membrane and having elasticity in a direction perpendicular to the surface of the electrolyte membrane, and the fuel cell includes the carbon nanotube in the perpendicular direction. A fuel cell comprising a load application unit that applies a load within the elastic range of the above.
適用例1の燃料電池では、上記少なくとも一方の触媒層が備えるナノメートルオーダーの外径を有するカーボンナノチューブによって、先に説明したガス拡散層の表面に存在する数十ミクロンの凹凸を埋めて、上記少なくとも一方の触媒層とガス拡散層との接触性を向上させることができる。 In the fuel cell of Application Example 1, the unevenness of several tens of microns existing on the surface of the gas diffusion layer described above is filled with carbon nanotubes having an outer diameter of nanometer order provided in the at least one catalyst layer, The contact property between at least one catalyst layer and the gas diffusion layer can be improved.
さらに、適用例1の燃料電池では、上記カーボンナノチューブの弾性によって、電解質膜の膨潤・収縮による厚さの変化を吸収し、電解質膜と触媒層とガス拡散層との接触抵抗の増加を抑制することもできる。また、上記カーボンナノチューブの弾性によって、ガス拡散層と当接して配置される集電体(セパレータ)とガス拡散層との接触抵抗の増加を抑制することもできる。 Furthermore, in the fuel cell of Application Example 1, the elasticity of the carbon nanotube absorbs a change in thickness due to swelling / shrinkage of the electrolyte membrane and suppresses an increase in contact resistance between the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer. You can also. The increase in contact resistance between the current collector (separator) disposed in contact with the gas diffusion layer and the gas diffusion layer can also be suppressed by the elasticity of the carbon nanotube.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.燃料電池スタックの構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック100の概略構成を示す説明図である。図1では、燃料電池スタック100の側面図を、燃料電池スタック100を構成する単セルの断面図とともに示した。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Fuel cell stack configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
この燃料電池スタック100は、複数の単セルを積層させた積層体を備えている。各単セルは、膜電極接合体10の周縁部に燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏洩を防止するためのフレーム状のシール部材14を設け、これらをセパレータ20によって挟持することによって構成されている。各セパレータ20には、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すためのガス流路、および、図示しない冷却水流路が形成されている。なお、燃料電池スタック100における単セルの積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
The
膜電極接合体10は、プロトン伝導性を有する電解質膜11の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合することによって形成されている。そして、アノード、および、カソードは、それぞれ、触媒層12と、ガス拡散層13とを備えている。本実施例では、電解質膜11として、固体高分子膜を用いるものとした。また、ガス拡散層13として、導電性およびガス拡散性を有するカーボンペーパを用いるものとした。なお、膜電極接合体10、特に、触媒層12については、後から詳述する
The
そして、燃料電池スタック100は、単セルの積層方向についての上記積層体の両端部に、それぞれ、図示しない集電板、および、絶縁板を挟んで、エンドプレート30を配置し、これらを締結棒40およびナット42を用いて締結することによって構成される。各エンドプレート30を締結することによって、単セルの積層方向に押圧力が加えられる。このとき、単セルの積層方向に加えられる押圧力(荷重)は、後述する触媒層12の弾性範囲内で選択される。セパレータ20や、エンドプレート30や、締結棒40およびナット42等、単セルの積層方向に押圧力を加える部材は、本発明における荷重印加部に相当する。なお、各エンドプレート30は、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、各集電板には、それぞれ出力端子が設けられており、これらの出力端子から燃料電池スタック100によって発電された電力を出力可能となっている。
In the
燃料電池スタック100において、各エンドプレート30と各締結棒40とは、例えば、各エンドプレート30の四隅に厚さ方向に形成された各貫通孔(符号省略)に、各締結棒40の両端部に形成された雄ネジ部を挿入して、内壁に雌ネジが形成されたナット42を上記雄ネジ部に螺合することによって固定される。なお、締結棒40における上記雄ネジ部を除く部分の太さは、各エンドプレート30に形成された各貫通孔のサイズよりも太く設定されており、燃料電池スタック100における単セルの積層方向の長さは、各単セルに加えられる荷重の大きさに関わらず、締結棒40における上記雄ネジ部を除く部分の長さによって規定されている。
In the
B.膜電極接合体:
本実施例の燃料電池スタック100に用いられる膜電極接合体10において、触媒層12は、後述するように、触媒層12とガス拡散層13との接触性を向上させるために、電解質膜11の表面に対して垂直方向に配向し、この垂直方向に弾性を有するカーボンナノチューブを備えている。以下、本実施例の膜電極接合体10の製造工程について説明する。
B. Membrane electrode assembly:
In the
まず、基板上に、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、基板の表面に対して垂直に配向した複数のカーボンナノチューブを成長させる。ここで、「垂直に配向した」とは、厳密に垂直に配向している必要はない。例えば、予め基板上にカーボンナノチューブを成長させるための成長核を高密度に形成しておくことによって、基板上には、基板の表面に対してほぼ垂直に配向したブラシ状のカーボンナノチューブが成長する。なお、本願発明者は、基板上にブラシ状に成長したカーボンナノチューブが基板の表面に対して垂直方向についての弾性を有するか否か、および、上記垂直方向についての弾性範囲がカーボンナノチューブの成長条件の違いによって変化することを見出した。そして、触媒層12を構成するカーボンナノチューブの成長条件は、成長したカーボンナノチューブが基板の表面に対して垂直方向についての弾性を有するように決定される。
First, a plurality of carbon nanotubes oriented perpendicular to the surface of the substrate are grown on the substrate by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Here, “vertically oriented” does not need to be strictly oriented vertically. For example, by forming growth nuclei for growing carbon nanotubes on the substrate at a high density in advance, brush-like carbon nanotubes oriented almost perpendicular to the surface of the substrate grow on the substrate. . In addition, the inventor of the present application has determined whether the carbon nanotubes grown in a brush shape on the substrate have elasticity in the vertical direction with respect to the surface of the substrate, and the elastic range in the vertical direction is a growth condition of the carbon nanotubes. It was found that it changes depending on the difference. The growth conditions of the carbon nanotubes constituting the
次に、ブラシ状に成長させたカーボンナノチューブの全面に白金塩溶液を滴下して、乾燥・焼成還元することによって、カーボンナノチューブに白金を担持させる。そして、白金を担持したカーボンナノチューブに、アイオノマ分散溶液(例えば、ナフィオン分散溶液(「ナフィオン」は、登録商標))を滴下して、乾燥させることによって、白金を担持したカーボンナノチューブがアイオノマ(電解質)によって被覆され、触媒層12となる部材が作製される。
Next, a platinum salt solution is dropped on the entire surface of the carbon nanotubes grown in a brush shape, dried and baked and reduced, thereby supporting platinum on the carbon nanotubes. Then, an ionomer dispersion solution (for example, Nafion dispersion solution (“Nafion” is a registered trademark)) is dropped onto carbon nanotubes carrying platinum, and the carbon nanotubes carrying platinum are ionomers (electrolytes). A member to be the
次に、上述した工程によって作製された部材、すなわち、白金を担持し、表面が電解質によって被覆されたカーボンナノチューブを、電解質膜11の両面に、それぞれ熱転写する。こうすることによって、電解質膜11の表面に対してほぼ垂直方向に配向し、この垂直方向についての弾性を有するカーボンナノチューブを備える触媒層12が、電解質膜11の両面にそれぞれ形成される。そして、電解質膜11の両面に触媒層12がそれぞれ形成された形成物をカーボンペーパ(ガス拡散層13)によって挟み、これらをホットプレスによって接合することによって、膜電極接合体10が作製される。
Next, the member produced by the above-described process, that is, carbon nanotubes carrying platinum and having a surface coated with an electrolyte is thermally transferred to both surfaces of the
C.触媒層が備えるカーボンナノチューブの荷重特性:
先述したように、本願発明者は、カーボンナノチューブの成長条件の違いによって、基板上にブラシ状に成長したカーボンナノチューブが、基板の表面に対して垂直方向についての弾性を有する場合と有さない場合とがあることを見出した。この知見は、異なる成長条件で成長させたカーボンナノチューブを用いて作製した触媒層Aおよび触媒層Bに対して、ロードセルを用いた荷重試験を行うことによって得られた。なお、カーボンナノチューブの成長条件以外の触媒層Aと触媒層Bの作製条件は、同じである。
C. Load characteristics of carbon nanotubes in the catalyst layer:
As described above, the inventor of the present application has the case where the carbon nanotubes grown in a brush shape on the substrate have elasticity in the direction perpendicular to the surface of the substrate, depending on the growth conditions of the carbon nanotubes. And found that there is. This knowledge was obtained by performing a load test using a load cell on catalyst layer A and catalyst layer B produced using carbon nanotubes grown under different growth conditions. The production conditions of the catalyst layer A and the catalyst layer B other than the carbon nanotube growth conditions are the same.
図2は、触媒層Aおよび触媒層Bの表面に対して垂直方向に加えた面圧と歪みとの関係を示す説明図である。図2(a)に示したように、触媒層Aでは、表面に対して垂直方向に1.75(MPa)の面圧を加えたときに、約24(%)の歪みが生じ、その後、面圧を0(MPa)に戻したときには、約2(%)の歪みに戻った。一方、図2(b)に示したように、触媒層Bでは、表面に対して1(MPa)の面圧を加えたときに、約28(%)の歪みが生じ、その後、面圧を0(MPa)に戻しても、約22(%)の歪みが生じたまま元の形状に戻らなかった。つまり、触媒層Aは、電解質膜11の表面に対して垂直方向についての弾性を有するのに対し、触媒層Bは、電解質膜11の表面に対して垂直方向についての弾性を有さないという結果が得られた。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the surface pressure applied in the direction perpendicular to the surfaces of the catalyst layer A and the catalyst layer B and strain. As shown in FIG. 2A, in the catalyst layer A, when a surface pressure of 1.75 (MPa) is applied in a direction perpendicular to the surface, distortion of about 24 (%) occurs, and then When the surface pressure was returned to 0 (MPa), the strain returned to about 2 (%). On the other hand, as shown in FIG. 2B, in the catalyst layer B, when a surface pressure of 1 (MPa) is applied to the surface, distortion of about 28 (%) occurs, and thereafter the surface pressure is reduced. Even when the pressure was returned to 0 (MPa), the original shape did not return with distortion of about 22 (%). That is, the catalyst layer A has elasticity in the direction perpendicular to the surface of the
上述した荷重試験の結果から、本実施例の膜電極接合体10には、電解質膜11の表面に対して垂直方向についての弾性を有する触媒層Aを、触媒層12として用いることとした。そして、上述した荷重試験と同様にして、触媒層12(触媒層A)の弾性範囲を求めた。
From the results of the load test described above, the
図3は、触媒層12の弾性範囲を示す説明図である。図示するように、電解質膜11の表面に対して垂直方向(電解質膜11を押圧する方向)の触媒層12の弾性範囲は、0〜約2(MPa)であることが分かった。
FIG. 3 is an explanatory view showing the elastic range of the
D.実施例の触媒層による効果:
図4は、実施例の触媒層12による効果を模式的に示す説明図である。先に説明したように、膜電極接合体10の製造工程では、電解質膜11の両面に触媒層12がそれぞれ形成された膜をカーボンペーパ(ガス拡散層13)によって挟み、これらをホットプレスによって接合する。
D. Effect of catalyst layer of example:
FIG. 4 is an explanatory view schematically showing the effect of the
図4の上段に示したように、電解質膜11の両面に触媒層12がそれぞれ形成された膜をカーボンペーパ(ガス拡散層13)によって挟んで、これらをホットプレスするときに、ガス拡散層13の表面には数十ミクロンの凹凸が存在するため、比較的荷重が小さい場合には、触媒層12とガス拡散層13との界面には空隙が存在し、触媒層12とガス拡散層13との接触性が悪い。その後、ホットプレスの荷重を増加させると、触媒層12が備えるカーボンナノチューブの外径がナノメートルオーダーであるので、カーボンナノチューブの先端部が、触媒層12とガス拡散層13との界面に存在した空隙を埋めて、触媒層12とガス拡散層13との接触性が向上する。なお、上記ホットプレス時の荷重は、図3に示したカーボンナノチューブの弾性範囲内の荷重が選択される。
As shown in the upper part of FIG. 4, when the membrane having the
以上説明した本実施例の燃料電池スタック100によれば、膜電極接合体10の触媒層12が備えるナノメートルオーダーの外径を有するカーボンナノチューブによって、ガス拡散層13の表面に存在する数十ミクロンの凹凸を埋めて、触媒層12とガス拡散層13との接触性を向上させることができる。
According to the
さらに、本実施例の燃料電池スタック100によれば、触媒層12が備えるカーボンナノチューブの弾性によって、電解質膜11の膨潤・収縮による厚さの変化を吸収し、電解質膜11と触媒層12とガス拡散層13との接触抵抗の増加を抑制することもできる。また、上記カーボンナノチューブの弾性によって、ガス拡散層13と当接して配置されるセパレータ20とガス拡散層13との接触抵抗の増加を抑制することもできる。
Furthermore, according to the
なお、本実施例では、電解質膜11の両面に上述したカーボンナノチューブを備える触媒層12を適用するものとしたが、電解質膜11の少なくとも一方の面に上記触媒層12を適用すればよい。
In the present embodiment, the
100…燃料電池スタック
10…膜電極接合体
11…電解質膜
12…触媒層
13…ガス拡散層
14…シール部材
20…セパレータ
30…エンドプレート
40…締結棒
42…ナット
DESCRIPTION OF
Claims (1)
少なくとも一方の前記触媒層は、前記電解質膜と前記ガス拡散層との間に配置され、前記電解質膜の表面に対して垂直方向に配向し、前記電解質膜の表面に対して垂直方向についての弾性を有するカーボンナノチューブを備えており、
前記燃料電池は、
前記垂直方向に前記カーボンナノチューブの弾性範囲内の荷重を印加する荷重印加部を備え、
前記弾性範囲内とは、残留歪みが2%以下であることと、変位と荷重との関係が線形であることとの少なくとも一方が満たされることである
燃料電池。 A fuel cell comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of the electrolyte membrane,
At least one of the catalyst layers is disposed between the electrolyte membrane and the gas diffusion layer, oriented in a direction perpendicular to the surface of the electrolyte membrane, and elastic in a direction perpendicular to the surface of the electrolyte membrane. A carbon nanotube having
The fuel cell
E Bei load applying unit that applies a load within the elastic range of the carbon nanotubes in the vertical direction,
“Within the elastic range” means a fuel cell in which at least one of a residual strain of 2% or less and a linear relationship between displacement and load is satisfied .
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