JP5920664B2 - Fuel cell catalyst layer - Google Patents
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Description
本発明は、高分子形燃料電池の膜電極接合体を構成する燃料電池用触媒層に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell catalyst layer constituting a membrane electrode assembly of a polymer fuel cell.
固体高分子形燃料電池の燃料電池セルには、水素イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層を形成してなる膜電極接合体(MEA)と、当該膜電極接合体のそれぞれの触媒層の上に積層されたガス拡散層(燃料電池用ガス拡散層)と、該拡散層の外側にセパレータが形成されている。実際には、これらの燃料電池セルが発電性能に応じた基数だけ積層され、燃料電池スタックが形成されることになる。 A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) formed by forming catalyst layers on both surfaces of an electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, and respective catalyst layers of the membrane electrode assembly. A gas diffusion layer (gas diffusion layer for fuel cell) laminated on the substrate and a separator are formed outside the diffusion layer. Actually, these fuel cells are stacked in the number corresponding to the power generation performance to form a fuel cell stack.
触媒層は、カーボンに白金を担持させ更に電解質樹脂(アイオノマ)を含有させたものであり、供給された反応ガスにより発電反応を生じさせる電極層を構成する。膜電極接合体(MEA)のうち一方の面に形成された触媒層はアノード(燃極層)を構成し、他方の面に形成された触媒層はカソード(空気極)を構成する。 The catalyst layer is obtained by supporting platinum on carbon and further containing an electrolyte resin (ionomer), and constitutes an electrode layer that generates a power generation reaction by the supplied reaction gas. The catalyst layer formed on one surface of the membrane electrode assembly (MEA) constitutes an anode (fuel electrode layer), and the catalyst layer formed on the other surface constitutes a cathode (air electrode).
この燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供されて電気化学反応がおこなわれるものである。この電気化学反応では、アノード電極にて生成された水素イオンと水が水和状態で電解質膜を透過してカソード電極に至り、カソード電極にて生成水が生成されることとなる。したがって、膜電極接合体内における水の移動態様や電気化学反応による生成水の生成態様により、発電経過とともにアノード電極は乾燥し易く、場合によってはドライアップに至る一方、カソード電極では水分過多となり易く、場合によってはフラッディングに至り易いという課題がある。 In this fuel cell, hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to an anode electrode, and oxygen or air is provided as an oxidant gas to a cathode electrode to cause an electrochemical reaction. In this electrochemical reaction, hydrogen ions and water generated at the anode electrode pass through the electrolyte membrane in a hydrated state to reach the cathode electrode, and generated water is generated at the cathode electrode. Therefore, depending on the movement mode of water in the membrane electrode assembly and the generation mode of water generated by electrochemical reaction, the anode electrode is easily dried with the progress of power generation, and in some cases, it is dry up, while the cathode electrode is likely to be excessively watery. In some cases, there is a problem that flooding is likely to occur.
ところで、触媒層とガス拡散層とから構成される電極のうち、触媒層は、その表面が平滑とされているのが一般的である。そのため、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスが有効に触媒層に触れない、触媒同士がより密になってしまい発電の際に触媒が腐食し易くなる、ガス拡散層と触媒層との接触が少なくそれらの間の界面での電気抵抗が大きい、などの問題が発生する。そこで、下記特許文献1には、触媒層の拡散層側表面に凹凸を形成し、触媒層の上に積層されるガス拡散層のカーボン繊維に触媒層の凹凸部を食い込ませて密着させる内容が記載されている。
By the way, among the electrodes composed of the catalyst layer and the gas diffusion layer, the surface of the catalyst layer is generally smooth. Therefore, the reaction gas such as fuel gas and oxidant gas does not effectively touch the catalyst layer, the catalyst becomes more dense and the catalyst is easily corroded during power generation, contact between the gas diffusion layer and the catalyst layer There is a problem that the electrical resistance at the interface between them is small and the electrical resistance is large. Therefore, in
上記特許文献1に記載の方法により形成される触媒層には、電解質樹脂が含まれており、この電解質樹脂が、触媒層の拡散層側表面の凸部以外の部分に多く存在する場合がある。そうすると、触媒層と拡散層との密着性を向上させることはできるものの、触媒層の拡散層側表面の凸部以外の部分に存在する電解質樹脂により、ガスの拡散性が低下するという課題があった。
The catalyst layer formed by the method described in
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス拡散性の低下の抑制と、触媒層とその隣に積層される層との密着性向上とを両立させることができる燃料電池用触媒層を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is to make compatible suppression of the fall of gas diffusibility, and the adhesive improvement of a catalyst layer and the layer laminated | stacked next to it. An object of the present invention is to provide a fuel cell catalyst layer.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用触媒層は、高分子形燃料電池に用いられる燃料電池用触媒層であって、シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成され、触媒を担持したカーボン粒子と電解質樹脂とを含む触媒層と、前記触媒層の表面に形成された突起と、を備え、前記触媒層の表面のうち前記突起の内部にある第一の前記カーボン粒子の重量C1と第一の前記電解質樹脂の重量I1との第一比率をX1、前記突起が形成されていない前記触媒層の表面にある第二の前記カーボン粒子の重量C2と第二の前記電解質樹脂の重量I2との第二比率をX2と定義したときに、前記X1が前記X2よ
り大きいことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a catalyst layer for a fuel cell according to the present invention is a catalyst layer for a fuel cell used in a polymer fuel cell, and is a surface on one side of a porous substrate formed in a sheet shape And a catalyst layer containing carbon particles carrying a catalyst and an electrolyte resin, and a protrusion formed on the surface of the catalyst layer, wherein the first of the surfaces of the catalyst layer is inside the protrusion. The first ratio of the weight C1 of the carbon particles and the weight I1 of the first electrolyte resin is X1, and the weight C2 and the second weight C2 of the second carbon particles on the surface of the catalyst layer on which the protrusions are not formed. When the second ratio of the second electrolyte resin to the weight I2 is defined as X2, X1 is larger than X2.
このように構成することにより、突起に電解質樹脂が偏向し、突起以外の表面の電解質樹脂量が抑えられることとなる。その結果、突起による触媒層とその隣に積層される層(例えば、ガス拡散層)との密着性を確保しつつ、ガスの拡散性の低下を抑えることができる。 With this configuration, the electrolyte resin is deflected to the protrusion, and the amount of the electrolyte resin on the surface other than the protrusion is suppressed. As a result, a decrease in gas diffusibility can be suppressed while ensuring adhesion between the catalyst layer formed by the protrusions and a layer (for example, a gas diffusion layer) laminated adjacent thereto.
また、本発明に係る燃料電池用触媒層は、前記触媒層の表面と前記突起の一方の面とのなす角度を第一の角度、前記触媒層の表面と前記突起の他方の面とのなす角度を第二の角度と定義したときに、前記第一の角度と前記第二の角度のいずれか一方が90度より大きいものであってもよい。 In the fuel cell catalyst layer according to the present invention, the angle formed by the surface of the catalyst layer and one surface of the protrusion is a first angle, and the surface of the catalyst layer and the other surface of the protrusion are formed. When the angle is defined as the second angle, one of the first angle and the second angle may be larger than 90 degrees.
このように構成することにより、触媒層の表面に形成された突起を、拡散層側表面に食い込ませやすくすることができるので、触媒層と拡散層側表面との密着性をより一層向上させることができる。 By comprising in this way, since the protrusion formed on the surface of the catalyst layer can be made to easily bite into the diffusion layer side surface, the adhesion between the catalyst layer and the diffusion layer side surface can be further improved. Can do.
本発明によれば、ガス拡散性の低下の抑制と、触媒層とその隣に積層される層との密着性向上とを両立させることができる。 According to the present invention, it is possible to achieve both suppression of a decrease in gas diffusibility and improvement in adhesion between the catalyst layer and a layer laminated adjacent thereto.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
図1は、本発明の一実施形態により得られる膜電極接合体を含む燃料電池セルの断面図である。燃料電池セル1は、所謂平板型の高分子電解質型燃料電池(PEFC)であって、平面視矩形に形成されている。図1に示したように、燃料電池セル1は、膜電極接合体10と、一対のガス拡散層20と、一対のセパレータ30とを備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell including a membrane electrode assembly obtained according to an embodiment of the present invention. The
膜電極接合体10は、水素イオン伝導性を有する電解質膜11の両面に、それぞれ触媒層12a、12bを有しており、所謂MEAと称されるものである。触媒層12a、12bはいずれも、カーボン粒子に白金微粒子を担持させ、更に電解質(アイオノマ)を含有させた触媒層(電極層)として、電解質膜11の両面に形成されている。触媒層12aは酸化剤ガス(例えば空気)と反応するカソード電極層であり、触媒層12bは燃料ガス(例えば水素)と反応するアノード電極層である。膜電極接合体10の具体的な構成や製造方法については、後に詳しく説明する。
The
ガス拡散層20は、反応ガスの拡散性を高めるための層であって、膜電極接合体10を両面から挟み込むように配置される。すなわち、燃料電池セル1は、カソード側ガス拡散層20aとアノード側ガス拡散層20bとからなる二つのガス拡散層20を有している。電解質膜11の触媒層12aにはカソード側ガス拡散層20aが積層され、電解質膜11の触媒層12bにはアノード側ガス拡散層20bが積層される。
The
セパレータ30は、燃料電池セル1の最も外側に配置された導電性の層であり、カーボンにより形成されている。セパレータ30は、カソード側ガス拡散層20aに隣接して配置されるカソード側セパレータ30aと、アノード側ガス拡散層20bに隣接して配置されるアノード側セパレータ30bとからなるが、これらは互いに同一の形状となっている。
The
カソード側セパレータ30aのうちカソード側ガス拡散層20aと接する面には、断面が矩形の溝31aが複数本、互いに平行に並ぶように形成されている。これらの溝31aは、酸化剤ガスを外部から供給するための流路である。同様に、アノード側セパレータ30bにも、断面が矩形の溝31bが複数本、互いに平行に並ぶように形成されている。これらの溝31bは、燃料ガスを外部から供給するための流路である。
A plurality of
図1には、一つの燃料電池セル1(単セル)のみを示したが、電力供給源として実際に使用される燃料電池においては複数の燃料電池セル1が積層され、セパレータ30を介して互いに電気的に直列接続された状態(セルスタック)となる。一つの燃料電池セル1の発電電圧は約1V程度であるが、上記のように複数の燃料電池セル1を直列接続することにより、数百Vの高電圧を出力することが可能となる。尚、互いに隣接するカソード側セパレータ30aとアノード側セパレータ30bとの間には、燃料電池セル1を冷却するための冷媒流路を形成してもよい。
Although FIG. 1 shows only one fuel cell 1 (single cell), in a fuel cell actually used as a power supply source, a plurality of
続いて本発明に係る膜電極接合体の製造方法の一例について、図2を参照しながら説明する。図2は、図1に示す燃料電池セル1の構成要素のうち、膜電極接合体10の製法を説明するための図である。
Next, an example of a method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining a manufacturing method of the
図2(a)に示すように、樹脂シート40の上にマスキングシート50を塗工する。そして、樹脂シート40の表面に切り込みを入れる。この切込みは、例えば、樹脂シート40の表面と切込みの一方の面とのなす角度をθ1、樹脂シート40の表面と切込みの他方の面とのなす角度をθ2としたときに、θ1とθ2のいずれか一方が鈍角となるように形成する。図2(b)に示すように、図2(a)において形成した切込みにアイオノマ/カーボン比率が高い触媒インク60を塗工する。図2(c)に示すように、樹脂シート40の上面に塗工したマスキングシート50をはがす。図2(d)に示すように、樹脂シート40及び触媒インク60の表面に、アイオノマ/カーボン比率が低い触媒インク70を塗工する。その後、図2(e)に示すように、触媒インク60と触媒インク70で形成される触媒層12bを電解質膜11に重ね、ホットプレスにより接合して一体とする。最後に、図2(f)に示すように、樹脂シートを剥がすことで、触媒層12bの表面に突起13を形成する。
As shown in FIG. 2A, a
図3(a)に示したように、従来の触媒層12bにおいては、触媒を担持したカーボン粒子CBが形成されている。触媒層12bの下面には、電解質膜の寸法を抑制するための接合層100が形成されている。接合層100は、カーボン粒子CBと樹脂を含有する材料から形成されている。すなわち、触媒層12bの表面上に、カーボン粒子CBが多く配置されることとなる。
As shown in FIG. 3A, carbon particles CB carrying a catalyst are formed in the
一方、図3(b)に示したように、本実施形態に係る触媒層12bにおいては、触媒層12bの表面上に突起13が形成されている。ここで、図3(d)に示したように、突起13の内部にあるカーボン重量をC1、アイオノマ重量をI1とし、突起13が形成されていない触媒層12bの表面に存在するカーボン重量をC2、アイオノマ重量をI2、アイオノマ重量I1/カーボン重量C1=X1(第一比率)、アイオノマ重量I2/カーボン重量C2=X2(第二比率)と定義した場合に、X1>X2の関係がある。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, in the
このように構成することにより、突起13に電解質樹脂が偏向し、突起13が形成されていない触媒層12bの表面の電解質樹脂量が抑えられることとなる。その結果、ガスの拡散性を阻害することなく、突起13による触媒層12bとカソード側ガス拡散層20aとの密着性向上を図ることができる。
With this configuration, the electrolyte resin is deflected to the
また、本実施形態では、図3(c)に示したように、触媒層12bの表面と突起13の一方の面とのなす角度をθ1、触媒層12bの表面と突起13の他方の面とのなす角度をθ2と定義した場合に、θ1とθ2のいずれか一方は鈍角となる関係がある。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3C, the angle formed between the surface of the
このように構成することにより、触媒層12bの表面に形成された突起13を、ガス拡散層20側表面に食い込ませやすくすることができるので、触媒層12bとカソード側ガス拡散層20aとの密着性をより一層向上させることができる。
With this configuration, the
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.
10 膜電極接合体
11 電解質膜
12a 触媒層
12b 触媒層
13 突起
20 ガス拡散層
20a カソード側ガス拡散層
20b アノード側ガス拡散層
30 セパレータ
30a カソード側セパレータ
30b アノード側セパレータ
31a 溝
31b 溝
40 樹脂シート
50 マスキングシート
60 触媒インク
70 触媒インク
100 接合層
DESCRIPTION OF
Claims (1)
シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成され、触媒を担持したカーボン粒子と電解質樹脂とを含む触媒層と、
前記触媒層の多孔質基材側表面に形成された突起と、を備え、
前記触媒層の表面のうち前記突起の内部にある第一の前記カーボン粒子の重量C1に対する第一の前記電解質樹脂の重量I1の比率I1/C1をX1、前記突起が形成されていない前記触媒層の表面にある第二の前記カーボン粒子の重量C2に対する第二の前記電解質樹脂の重量I2の比率I2/C2をX2と定義したときに、前記X1が前記X2より大きく、
前記突起は、前記触媒層の多孔質基材側表面の一部を底面とし、前記触媒層の多孔質基材側表面から突出する面を側面とする断面視三角形状を呈し、
前記触媒層の多孔質基材側表面と前記側面の一方の面とのなす角度のうち前記突起内側に形成される角度を第一の角度、前記触媒層の多孔質基材側表面と前記側面の他方の面とのなす角度のうち前記突起内側に形成される角度を第二の角度と定義したときに、
前記第一の角度と前記第二の角度のいずれか一方のみが90度より大きいことを特徴とする燃料電池用触媒層。 A fuel cell catalyst layer used in a polymer fuel cell,
A catalyst layer formed on one surface of a porous substrate formed in a sheet shape and containing carbon particles carrying a catalyst and an electrolyte resin;
A protrusion formed on the porous substrate side surface of the catalyst layer,
The ratio I1 / C1 of the weight I1 of the first electrolyte resin to the weight C1 of the first carbon particles in the protrusions on the surface of the catalyst layer is X1, and the catalyst on which the protrusions are not formed. the second of the ratio I2 / C2 carbon weight of the second said electrolyte resin to the weight C2 of the particles I 2 at the surface of the layer when defined as X2, the X1 is rather larger than the X2,
The protrusion has a triangular shape in a cross-sectional view with a part of the porous substrate side surface of the catalyst layer as a bottom surface and a side surface protruding from the porous substrate side surface of the catalyst layer,
Angle a first angle formed in the protrusion inside of the angle formed between the one surface of the side surface and the porous substrate side surface of the catalyst layer, the side with the porous base material side surface of the catalyst layer When the angle formed with the other surface of the projection is defined as the second angle,
Only one of the first angle and the second angle is greater than 90 degrees.
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