JP5994729B2 - A fuel cell catalyst electrode layer, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing a fuel cell catalyst electrode layer. - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用触媒電極層、膜電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a catalyst electrode layer for a fuel cell, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.
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上に、触媒電極層であるアノードおよびカソードが形成された膜電極接合体を備える。触媒電極層は、一般に、触媒金属を備える触媒粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備える。このような燃料電池の性能向上のために、従来、種々の検討がなされてきた。 The polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly in which an anode and a cathode as catalyst electrode layers are formed on a polymer electrolyte membrane having proton conductivity. The catalyst electrode layer generally includes catalyst particles including a catalyst metal and a polymer electrolyte having proton conductivity. Conventionally, various studies have been made to improve the performance of such fuel cells.
高分子電解質は、一般に、適切な湿度環境下(適切な湿潤状態)において良好なプロトン伝導性を有するため、湿度が低い環境下(いわゆる乾燥状態)においては良好な出力特性を得られない。これに対して、特許文献1では、湿度が低い状態においても良好な出力特性を得るために、特定の構造のポリマーにおける、特定の物理的性質を有する高分子電解質膜に、特定の触媒電極層を有する膜電極接合体が提案されている。また、特許文献2では、アイオノマーにおける水分濃度を十分に高くする(湿潤状態を高める)ことにより発電反応を促進するために、触媒電極層の触媒を被覆するアイオノマー(高分子電解質)の厚みが13nm以下に規定された膜電極接合体が提案されている。
Since the polymer electrolyte generally has good proton conductivity in an appropriate humidity environment (appropriate wet state), good output characteristics cannot be obtained in an environment with low humidity (so-called dry state). On the other hand, in
ここで、上記従来技術は、定常的な出力特性の向上を目的としてなされたものであり、低出力状態から高出力状態(例えば、最大出力状態)へ変化させる際の出力応答特性(以下、「過渡出力特性」とも呼ぶ)については、検討がなされていない。しかしながら、例えば、燃料電池を搭載した車両のように、低出力状態と高出力状態との間の過渡的な変化を繰り返す場合には、燃料電池の過渡出力特性が重要である。従って、燃料電池の過渡出力性能を向上させる技術が望まれていた。 Here, the above prior art is made for the purpose of improving the steady output characteristics, and the output response characteristics (hereinafter referred to as “the output power characteristics”) when changing from the low output state to the high output state (for example, the maximum output state). No consideration has been given to "transient output characteristics". However, for example, when a transient change between a low output state and a high output state is repeated as in a vehicle equipped with a fuel cell, the transient output characteristic of the fuel cell is important. Therefore, a technique for improving the transient output performance of the fuel cell has been desired.
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.
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池用触媒電極層が提供される。この触媒電極層は、触媒が担持されたカーボンと高分子電解質とを含む触媒電極材料で形成されており;前記触媒が担持されたカーボンの少なくとも一部を被覆する前記高分子電解質の厚さは、40%の相対湿度の状態において2.4nm〜2.9nmであり、かつ、200%の相対湿度の状態において3.5nm〜4.2nmである。この形態の燃料電池用触媒電極層によれば、少なくとも一方の触媒電極層として用いて作製した膜電極接合体を利用して燃料電池を作製することにより、触媒電極層において、相対湿度が40%の乾燥状態に対応する低出力状態から相対湿度が200%の湿潤状態に対応する高出力状態へ変化させた場合における過渡出力性能を向上させることができる。 (1) According to one aspect of the present invention, a catalyst electrode layer for a fuel cell is provided. The catalyst electrode layer is formed of a catalyst electrode material containing carbon carrying a catalyst and a polymer electrolyte; the thickness of the polymer electrolyte covering at least a part of the carbon carrying the catalyst is , 2.4 nm to 2.9 nm in a state of 40% relative humidity, and 3.5 nm to 4.2 nm in a state of 200% relative humidity. According to the catalyst electrode layer for a fuel cell of this embodiment, the relative humidity of the catalyst electrode layer is 40% by producing a fuel cell using the membrane electrode assembly produced using at least one of the catalyst electrode layers. The transient output performance can be improved when the low output state corresponding to the dry state is changed to the high output state corresponding to the wet state where the relative humidity is 200%.
(2)上記形態の燃料電池用触媒電極層において、前記高分子電解質の厚さは、さらに、前記40%の相対湿度の状態において2.6nm〜2.8nmであり、かつ、前記200%の相対湿度の状態において3.8nm〜4.0nmであることが好ましい。この形態の燃料電池用触媒電極層によれば、相対湿度が40%の乾燥状態に対応する低出力状態から相対湿度が200%の湿潤状態に対応する高出力状態へ変化させた場合における過渡出力性能をより向上させることができる。 (2) In the catalyst electrode layer for a fuel cell of the above aspect, the thickness of the polymer electrolyte is 2.6 nm to 2.8 nm in the 40% relative humidity state, and 200% The relative humidity is preferably 3.8 nm to 4.0 nm. According to the fuel cell catalyst electrode layer of this aspect, the transient output when the low output state corresponding to the dry state where the relative humidity is 40% is changed to the high output state corresponding to the wet state where the relative humidity is 200%. The performance can be further improved.
(3)本発明の他の形態によれば、燃料電池用触媒電極層を製造する方法が提供される。この方法は、(a)触媒が担持されたカーボンと高分子電解質とを含む触媒電極材料を用意する工程と;(b)前記触媒電極材料を基材シート上に塗工して前記燃料電池用触媒電極層を形成する工程と;を備える。前記工程(a)は、前記高分子電解質のイオン交換基の等価質量、および、前記高分子電解質の質量と前記カーボンの質量との比、を調整することによって、形成された前記燃料電池用触媒電極層における、第1の湿度状態での前記高分子電解質の厚さ、および、前記第1の湿度状態よりも高い第2の湿度状態での前記高分子電解質の厚さを制御する工程を含む。この形態の燃料電池用触媒電極層を製造する方法によれば、第1の湿潤状態における高分子電解質の厚さおよび第2の湿潤状態における高分子電解質の厚さが制御された燃料電池用触媒電極層を形成することができる。 (3) According to another aspect of the present invention, a method for producing a catalyst electrode layer for a fuel cell is provided. This method includes (a) preparing a catalyst electrode material containing a catalyst-supported carbon and a polymer electrolyte; and (b) applying the catalyst electrode material on a substrate sheet to produce the fuel cell. Forming a catalyst electrode layer. In the step (a), the equivalent mass of the ion exchange group of the polymer electrolyte and the ratio of the mass of the polymer electrolyte to the mass of the carbon are adjusted to adjust the fuel cell catalyst formed. Controlling a thickness of the polymer electrolyte in a first humidity state and a thickness of the polymer electrolyte in a second humidity state higher than the first humidity state in an electrode layer . According to the method of manufacturing the fuel cell catalyst electrode layer of this embodiment, the fuel cell catalyst in which the thickness of the polymer electrolyte in the first wet state and the thickness of the polymer electrolyte in the second wet state are controlled An electrode layer can be formed.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、膜電極接合体あるいは燃料電池などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a membrane electrode assembly or a fuel cell.
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施形態の燃料電池は、反応ガス(水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガス)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池は、複数の単セル10が積層されたスタック構造を有しており、図1では、単セル10の構造を示している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. The fuel cell of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas (a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen). The fuel cell has a stack structure in which a plurality of
単セル10は、MEA(膜電極接合体、Membrane Electrode Assembly)27と、ガス拡散層23,24と、ガスセパレータ25,26と、を備えている。MEA27は、電解質膜20と、電解質膜20の各々の面に形成された触媒電極層であるアノード21およびカソード22と、によって構成される。MEA27は、ガス拡散層23,24によって挟持されており、MEA27およびガス拡散層23,24から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ25,26によって挟持されている。
The
電解質膜20は、高分子電解質材料、例えばフッ素樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
The
カソード22およびアノード21は、電気化学反応を進行する触媒金属を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質(「アイオノマー」と呼ばれる)と、を備えている。触媒金属としては、例えば、白金や、白金とルテニウムなどの他の金属とから成る白金合金を用いることができる。高分子電解質は、電解質膜20を形成する材料と同様の高分子電解質を用いることができる。触媒電極層が備える高分子電解質は、電解質膜20を構成する高分子電解質と同種のポリマーであっても良く、異種のポリマーであっても良い。
The
ガス拡散層23,24は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。 The gas diffusion layers 23 and 24 are made of a member having gas permeability and electronic conductivity, and are formed of, for example, a metal member such as foam metal or metal mesh, or a carbon member such as carbon cloth or carbon paper. can do.
ガスセパレータ25,26は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成されている。ガスセパレータ25,26において、触媒電極層と対向する表面には、反応ガスが流れる流路溝28,29が形成されている。なお、ガスセパレータ25,26とガス拡散層23,24との間に、セル内ガス流路を形成するための多孔質体を配置しても良く、この場合には、流路溝28,29を省略しても良い。
The
燃料電池の内部には、さらに、セル間冷媒流路が形成されている(図示せず)。このような冷媒流路は、例えば、積層されたすべての単セル間に形成しても良く、あるいは、単セルを所定数積層する毎に形成しても良い。 An inter-cell refrigerant flow path is further formed inside the fuel cell (not shown). Such a refrigerant flow path may be formed, for example, between all the stacked single cells, or may be formed every time a predetermined number of single cells are stacked.
さらに、燃料電池には、燃料電池を、その積層方向に貫通する複数の流路が形成されている。具体的には、各セルとの間で反応ガスを供給・排出するためのガスマニホールドや、既述した冷媒流路との間で冷媒を供給・排出するための冷媒マニホールドが形成されている。さらに、燃料電池には、MEA27の外周あるいはガスセパレータ25,26間の所定の位置に、シール部材(図示せず)が配置されている。このようなシール部材によって、流体の漏洩が防止されると共に、各ガスセパレータ25,26間の短絡が防止されている。
Further, the fuel cell is formed with a plurality of flow paths that penetrate the fuel cell in the stacking direction. Specifically, a gas manifold for supplying / discharging the reaction gas to / from each cell and a refrigerant manifold for supplying / discharging the refrigerant to / from the refrigerant flow path described above are formed. Further, in the fuel cell, a seal member (not shown) is arranged at a predetermined position between the outer periphery of the
図2は、電解質膜20上に形成されるカソード22の構成を拡大して示す模式図である。カソード22は、触媒金属31を担持するカーボン粒子(触媒担持カーボン30)と、触媒担持カーボン30の表面の少なくとも一部を覆う高分子電解質(アイオノマー)32と、を備えている。なお、図示は省略するが、アノード23もカソード22と同様に構成されている。
FIG. 2 is an enlarged schematic view showing the configuration of the
アイオノマー32は、その厚みTiが、第1の湿度状態(40%RH)においてt1〜t2の範囲となり、かつ、第2の湿度状態(200%RH)においてt3(>t2)〜t4の範囲となるように形成されている。これらの4つの値t1〜t4は、例えば、t1=2.4nm,t2=2.9nm,t3=3.5nm,t4=4.2nmとしてもよい。なお、「%RH」は相対湿度の単位であり、40%RHは相対湿度が40%であり、200%RHは相対湿度が200%であることを示している。アイオノマーの厚みは、アイオノマーの質量(あるいは重量)Iとカーボンの質量(あるいは重量)Cとの比(I/C)、および、イオン交換基の量を示す等価質量(EW)により制御可能である。
The
ここで、燃料電池の定常的な低出力状態は低湿度状態(いわゆる乾燥状態)に対応し、定常的な高出力状態は高湿度状態(いわゆる湿潤状態)に対応する。このため、低出力状態から高出力状態へ変化させた場合には、低湿度状態(乾燥状態)から高湿度状態(湿潤状態)への環境変化となる。低出力状態から高出力状態へ変化する際の過渡出力特性は、乾燥状態から湿潤状態へ回復する性能および湿潤状態を超えて過湿潤状態となることを抑制する性能の影響を受けるものと推定される。 Here, the steady low output state of the fuel cell corresponds to a low humidity state (so-called dry state), and the steady high output state corresponds to a high humidity state (so-called wet state). For this reason, when the low output state is changed to the high output state, the environment changes from the low humidity state (dry state) to the high humidity state (wet state). The transient output characteristics when changing from the low output state to the high output state are estimated to be affected by the performance to recover from the dry state to the wet state and the performance to suppress the over-wet state beyond the wet state. The
実施形態のMEA27では、上記したように、カソード22およびアノード23のアイオノマー32の厚みTiが、第1の湿度状態(低湿度状態)および第2の湿度状態(高湿度状態)の各々で規定された範囲内となるように制御されている。これにより、MEA27を用いた単セル10による燃料電池では、低出力状態から高出力状態(最大出力状態)へ変化する過渡出力特性を、定常的な高出力状態(最大出力状態)と同等の性能まで向上させることが可能である。
In the
A.サンプルの作製:
図5は、上記実施形態の効果を確認するために作成した14種類のサンプルのパラメーターと評価結果を示す表である。
A. Sample preparation:
FIG. 5 is a table showing parameters and evaluation results of 14 types of samples prepared for confirming the effects of the embodiment.
(1)サンプル1
以下に示すように、触媒を作製し、触媒を用いて触媒インクを作製し、触媒インクを用いて触媒電極層を作製し、触媒電極層を用いて膜電極接合体(MEA)を作製した。
(1)
As shown below, a catalyst was produced, a catalyst ink was produced using the catalyst, a catalyst electrode layer was produced using the catalyst ink, and a membrane electrode assembly (MEA) was produced using the catalyst electrode layer.
<触媒の作製>
触媒担体用カーボンとして、表面積が850m2/g、1次粒径が12nm、かさ密度が0.02g/mL、結晶径(La)が20nm、ヨウ素吸着量が870mg/g、DBP給油量が280mL/gのアセチレンブラック系カーボンを用いた。アセチレンブラック系カーボン5.0gを純水1.2Lに加えて分散させた。得られた分散液に、白金5.0gを含むヘキサヒドロキソ白金硝酸溶液を滴下し、十分に撹拌した。撹拌後の分散液に0.1Nのアンモニアを約100mL添加してpHを約10とし、それぞれ水酸化物を形成させてカーボン上に析出させ、さらにエタノールを添加し、90℃で還元させた。還元後の分散液をろ過し、得られた粉末を100℃で10時間真空乾燥させた。これにより触媒の粉末を作製した。得られた触媒粉末の白金担持密度は、ろ過後の廃液を分析することにより求められ、50wt%であった。また、XRD解析により求められる白金の結晶子径は約2nmであった。
<Production of catalyst>
The catalyst support carbon has a surface area of 850 m 2 / g, a primary particle size of 12 nm, a bulk density of 0.02 g / mL, a crystal diameter (La) of 20 nm, an iodine adsorption amount of 870 mg / g, and a DBP oil supply amount of 280 mL. / G of acetylene black carbon was used. Acetylene black carbon (5.0 g) was added to 1.2 L of pure water and dispersed. A hexahydroxo platinum nitric acid solution containing 5.0 g of platinum was dropped into the obtained dispersion and stirred sufficiently. About 100 mL of 0.1N ammonia was added to the dispersion after stirring to adjust the pH to about 10, and a hydroxide was formed and precipitated on carbon. Further, ethanol was added and reduced at 90 ° C. The dispersion after the reduction was filtered, and the obtained powder was vacuum-dried at 100 ° C. for 10 hours. This produced a catalyst powder. The platinum loading density of the obtained catalyst powder was determined by analyzing the waste liquid after filtration and was 50 wt%. Moreover, the crystallite diameter of platinum calculated | required by XRD analysis was about 2 nm.
<触媒インクの作製>
得られた触媒1gに対して10mLの超純水を添加し撹拌した後に、5mLのエタノールを添加し、撹拌棒を使って十分に撹拌して懸濁させた。得られた懸濁液にイオン伝導体として、EWが910のアイオノマー溶液を、アイオノマー溶液の固形部の質量と触媒中のカーボンの質量との比(I/C)が0.92になるまでゆっくり滴下し、超音波分散器で30分間分散させて均一なスラリーとし、触媒電極材料としての触媒インクを作製した。
<Preparation of catalyst ink>
10 mL of ultrapure water was added to 1 g of the obtained catalyst and stirred, and then 5 mL of ethanol was added, and the mixture was suspended with sufficient stirring using a stirring bar. An ionomer solution having an EW of 910 as an ionic conductor is slowly added to the obtained suspension until the ratio (I / C) of the solid part mass of the ionomer solution to the mass of carbon in the catalyst becomes 0.92. The solution was dropped and dispersed with an ultrasonic disperser for 30 minutes to form a uniform slurry, thereby preparing a catalyst ink as a catalyst electrode material.
<触媒電極層の作製>
得られた触媒インクを、触媒中の白金の単位面積当たりの重量が0.2mg/cm2になるように、基材シート上に均一に塗工した。触媒インクが塗工された基材シートを80℃で3時間の乾燥を行い、触媒電極層を作製した。なお、基材シートとしては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、例えば、テフロン(登録商標)を用いることとした。
<Preparation of catalyst electrode layer>
The obtained catalyst ink was uniformly coated on the substrate sheet so that the weight per unit area of platinum in the catalyst was 0.2 mg / cm 2 . The base material sheet coated with the catalyst ink was dried at 80 ° C. for 3 hours to prepare a catalyst electrode layer. As the base sheet, a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, for example, Teflon (registered trademark) is used.
<膜電極接合体の作製>
固体高分子電解質膜としてデュポン社製のNafion(登録商標)117を用い、得られた触媒電極層をアノードおよびカソードの両極として用いることとした。アノードおよびカソードの間に固体高分子電解質膜を挟んだ状態で、170℃で300秒間ホットプレスを行い、膜電極接合体(MEA)を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Nafion (registered trademark) 117 manufactured by DuPont was used as the solid polymer electrolyte membrane, and the obtained catalyst electrode layer was used as both anode and cathode electrodes. With the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode, hot pressing was performed at 170 ° C. for 300 seconds to produce a membrane electrode assembly (MEA).
(2)サンプル2〜14
サンプル2〜14も、サンプル1と同じ要領で作製した。ただし、触媒インクを作製する際のアイオノマー溶液のEWと、アイオノマー溶液の滴下量を規定するI/Cとを、図5に示す値に変更した。
(2)
B.評価
作製した各サンプルについて、それぞれ、以下に示す方法によって、触媒電極層中のアイオノマーの厚み、ガス拡散層抵抗、プロトン抵抗(H+抵抗)、および、過渡出力を求めた。
B. Evaluation The thickness of the ionomer in the catalyst electrode layer, gas diffusion layer resistance, proton resistance (H + resistance), and transient output were determined for each of the prepared samples by the following methods.
<アイオノマーの厚み>
各サンプルについて、それぞれ、日立製の集束イオンビーム(FIB)装置FB2200を用いて、作製したMEAの断面を切り出した。切り出したMEAの断面を日立製の透過型電子顕微鏡(TEM)H−9500を用いて観察し、カソードのアイオノマーの厚みを100点測定して平均アイオノマー厚みT1(図2参照)を算出した。
<Ionomer thickness>
About each sample, the cross section of produced MEA was cut out using the focused ion beam (FIB) apparatus FB2200 made from Hitachi, respectively. The cross section of the cut-out MEA was observed using a transmission electron microscope (TEM) H-9500 made by Hitachi, and the thickness of the cathode ionomer was measured at 100 points to calculate the average ionomer thickness T1 (see FIG. 2).
次に、各サンプルについて、それぞれ、触媒を含まないアイオノマー層を作製した。具体的には、まず、各サンプルにおいて、触媒インクを作製するのと同じ要領で、触媒を入れないアイオノマー溶液を作製した。得られたアイオノマー溶液を、スキージを用いてPTFEシート上に塗布した。アイオノマー溶液が塗布されたPTFEシートを80℃で3時間の乾燥を行った後、170℃で300秒間ホットプレスを行ってアイオノマー層を作製した。そして、FIB装置で切り出した各サンプルに対応するアイオノマー層の断面をTEMで観察し、各サンプルに対応するアイオノマー層の厚み(以下、「アイオノマー層基準厚み」とも呼ぶ)T2を求めた。 Next, an ionomer layer not containing a catalyst was prepared for each sample. Specifically, first, in each sample, an ionomer solution containing no catalyst was prepared in the same manner as that for preparing the catalyst ink. The obtained ionomer solution was applied onto a PTFE sheet using a squeegee. The PTFE sheet coated with the ionomer solution was dried at 80 ° C. for 3 hours, and then hot pressed at 170 ° C. for 300 seconds to produce an ionomer layer. And the cross section of the ionomer layer corresponding to each sample cut out with the FIB apparatus was observed with TEM, and the thickness (hereinafter also referred to as “ionomer layer reference thickness”) T2 of the ionomer layer corresponding to each sample was obtained.
次に、各サンプルに対応するアイオノマー層について、恒温槽中で80℃および40%RHの条件下において、アイオノマー層の厚み(以下、「アイオノマー層40%RH厚み」とも呼ぶ)T3を求めた。また、恒温槽中で80℃および200%RHの条件下において、アイオノマー層の厚み(以下、「アイオノマー層200%RH厚み」とも呼ぶ)T4を求めた。そして、各サンプルについて、平均アイオノマー厚みT1と、アイオノマー層基準厚みT2と、アイオノマー層40%RH厚みT3と、アイオノマー層200%RH厚みT4と、を用いて下式(1),(2)に基づいて、40%RHにおけるカソードのアイオノマー厚みTi(40%RH)および200%RHにおけるカソードのアイオノマー厚みTi(200%RH)を求めた。
Ti(40%RH)=T1・(T3/T2) …(1)
Ti(200%RH)=T1・(T4/T2) …(2)
Next, for the ionomer layer corresponding to each sample, the thickness of the ionomer layer (hereinafter also referred to as “
Ti (40% RH) = T1 · (T3 / T2) (1)
Ti (200% RH) = T1 · (T4 / T2) (2)
<プロトン抵抗>
各サンプルについて、90℃および40%RHにおいて、交流インピーダンス法によるインピーダンス測定を行った。
図3は、交流インピーダンス測定例を示すグラフである。各サンプルについて、それぞれ、得られたインピーダンス測定結果から、図3に示すように、プロトン抵抗を求めた。すなわち、複素平面上に交流インピーダンスをプロットし、そのプロットを2つの直線L1,L2で近似した。そして、それらの直線の交点Cpと、第1の直線L1が実部軸Z’と公差する点C0との間の実部軸Z’上の距離をプロトン抵抗とした。
<Proton resistance>
About each sample, the impedance measurement by the alternating current impedance method was performed in 90 degreeC and 40% RH.
FIG. 3 is a graph showing an example of AC impedance measurement. For each sample, proton resistance was determined from the obtained impedance measurement results as shown in FIG. That is, AC impedance was plotted on a complex plane, and the plot was approximated by two straight lines L1 and L2. And the distance on the real part axis | shaft Z 'between the intersection Cp of those straight lines and the point C0 where the 1st straight line L1 is tolerance | permissible is made into proton resistance.
<ガス拡散抵抗>
各サンプルについて、60℃および200%RHで、反応ガス供給環境を低酸素濃度環境(水素濃度100%,酸素濃度数%)として、電流対電圧特性(IV特性)を測定した。
図4は、低酸素濃度環境下におけるIV特性の例を示すグラフである。各サンプルについて、それぞれ、得られたIV特性から限界電流密度を求めた。すなわち、IV特性上において、電圧が低下しても電流が増加しない部分における電流(限界電流)の値を、触媒電極層の表面積で除算することによって、限界電流密度を算出した。得られた限界電流密度と、温度および湿度と、酸素濃度と、に基づいて、酸素1分子が1m移動するのに要する時間を算出することにより、ガス拡散抵抗(単位:sec/m)を求めた。
<Gas diffusion resistance>
For each sample, the current versus voltage characteristics (IV characteristics) were measured at 60 ° C. and 200% RH, with the reaction gas supply environment being a low oxygen concentration environment (
FIG. 4 is a graph showing an example of IV characteristics in a low oxygen concentration environment. For each sample, the limiting current density was determined from the obtained IV characteristics. That is, on the IV characteristics, the limit current density was calculated by dividing the value of the current (limit current) in the portion where the current does not increase even when the voltage is decreased by the surface area of the catalyst electrode layer. The gas diffusion resistance (unit: sec / m) is obtained by calculating the time required for one molecule of oxygen to move 1 m based on the obtained limiting current density, temperature and humidity, and oxygen concentration. It was.
<過渡出力>
各サンプルについて、アノードに100%水素を十分に供給するとともにカソードに空気を十分に供給する反応ガス供給環境として、低出力(出力電圧0.9V)を30分維持した後、最大出力(出力電圧0.5V)を指示(いわゆるステップ状の出力変化を指示)してから10秒後の電流値および電圧値から過渡出力を算出した。
<Transient output>
For each sample, a low output (output voltage 0.9 V) was maintained for 30 minutes as a reaction gas supply environment in which 100% hydrogen was sufficiently supplied to the anode and air was sufficiently supplied to the cathode. 0.5V) was instructed (so-called step-like output change was instructed), and the transient output was calculated from the current value and
図6は、図5の表に示した各サンプルの40%RHにおけるアイオノマー厚みと過渡出力との関係を示したグラフである。図7は、図5の表に示した各サンプルの200%RHにおけるアイオノマー厚みと過渡出力との関係を示したグラフである。図6,7に示すように、40%RHにおけるアイオノマー厚み(以下、「アイオノマー厚み(@40%RH)」とも呼ぶ)が2.4nm〜2.9nmの範囲にあり、かつ、200%RHにおけるアイオノマー厚み(以下、「アイオノマー厚み(@200%RH)」とも呼ぶ)が3.5nm〜4.2nmにあるサンプル1〜7では、過渡出力が99kW〜102kWであった。これに対して、アイオノマー厚み(@40%RH)とアイオノマー厚み(@200%RH)のいずれか一方が、上記範囲にない他のサンプル8〜14では、過渡出力が96kW〜86kWと低くなった。過渡出力の測定誤差は±1kW以下であるので、97kWを境界値として、境界値よりも高い過渡出力を有するサンプル1〜7と、境界値よりも低い過渡出力を有するサンプル8〜14とを比較して、過渡出力性能が優れていると判断した。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between ionomer thickness and transient output at 40% RH for each sample shown in the table of FIG. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the ionomer thickness and the transient output at 200% RH for each sample shown in the table of FIG. As shown in FIGS. 6 and 7, the ionomer thickness at 40% RH (hereinafter also referred to as “ionomer thickness (@ 40% RH)”) is in the range of 2.4 nm to 2.9 nm, and at 200% RH.
図8は、図5の表に示した各サンプルの40%RHにおけるアイオノマー厚みとプロトン抵抗との関係を示したグラフである。図8に示すように、アイオノマー厚み(@40%RH)が低下すると、プロトン抵抗が増加することがわかる。一般に、プロトン抵抗が高いと、過渡的な出力の上昇速度は低い傾向にある。従って、アイオノマー厚み(@40%RH)が低下すると、過渡出力性能は全体的に低下する傾向にあると推察される。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the ionomer thickness and proton resistance at 40% RH for each sample shown in the table of FIG. As shown in FIG. 8, it can be seen that the proton resistance increases as the ionomer thickness (@ 40% RH) decreases. In general, when the proton resistance is high, the transient output increase rate tends to be low. Therefore, when the ionomer thickness (@ 40% RH) decreases, it is assumed that the transient output performance tends to decrease overall.
図9は、図5の表に示した各サンプルの200%RHにおけるアイオノマー厚みとガス拡散抵抗との関係を示したグラフである。図9に示すように、アイオノマー厚み(@200%RH)が増加すると、ガス拡散抵抗が増加することがわかる。一般的に、ガス拡散抵抗が高いと、過渡的な出力の上昇速度は低い傾向にある。従って、アイオノマー厚み(@200%RH)が増加すると、過渡出力性能は全体的には低下する傾向にあると推定される。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between ionomer thickness and gas diffusion resistance at 200% RH for each sample shown in the table of FIG. As shown in FIG. 9, it can be seen that the gas diffusion resistance increases as the ionomer thickness (@ 200% RH) increases. Generally, when the gas diffusion resistance is high, the transient output increase rate tends to be low. Therefore, when the ionomer thickness (@ 200% RH) increases, it is estimated that the transient output performance tends to decrease overall.
以上のことから、適切なプロトン抵抗およびガス拡散抵抗となるように、アイオノマー厚み(40%RH)およびアイオノマー厚み(200%RH)の両方がそれぞれ規定の範囲内に制御されることによって、優れた過渡出力性能を得ることができると考えらえる。具体的には、サンプル1〜7の結果から理解できるように、アイオノマー厚み(40%RH)が2.4nm〜2.9nmの範囲で、かつ、アイオノマー厚み(200%RH)が3.5nm〜4.2nmの範囲内に制御されることが好ましい。また、アイオノマー厚み(40%RH)が2.6nm〜2.8nmの範囲で、かつ、アイオノマー厚み(200%RH)が3.8nm〜4.0nmの範囲内に制御されることがさらに好ましい。さらに、アイオノマー厚み(40%RH)が2.8nmで、かつ、アイオノマー厚み(200%RH)が4.0nmに制御されることが最も好ましい。
As described above, both the ionomer thickness (40% RH) and the ionomer thickness (200% RH) are controlled within the specified ranges so that appropriate proton resistance and gas diffusion resistance are obtained. It can be considered that transient output performance can be obtained. Specifically, as can be understood from the results of
上記実施形態および実施例では、カソードおよびアノードの両方のアイオノマー厚みを制御する場合を例に説明したが、いずれか一方のみでも良い。 In the embodiments and examples described above, the case where the ionomer thicknesses of both the cathode and the anode are controlled has been described as an example, but only one of them may be used.
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…単セル
20…電解質膜
21…アノード
22…カソード
23,24…ガス拡散層
25,26…ガスセパレータ
27…MEA
28,29…流路溝
30…触媒担持カーボン
31…触媒
32…高分子電解質
DESCRIPTION OF
28, 29 ...
Claims (5)
触媒が担持されたカーボンと高分子電解質とを含む触媒電極材料で形成されており、
前記触媒が担持されたカーボンの少なくとも一部を被覆する前記高分子電解質の厚さは、40%の相対湿度の状態において2.4nm〜2.9nmであり、かつ、200%の相対湿度の状態において3.5nm〜4.2nmである
燃料電池用触媒電極層。 A catalyst electrode layer for a fuel cell,
It is made of a catalyst electrode material containing carbon carrying a catalyst and a polymer electrolyte,
The thickness of the polymer electrolyte covering at least a part of the carbon on which the catalyst is supported is 2.4 nm to 2.9 nm in a state of 40% relative humidity, and a state of 200% relative humidity. A catalyst electrode layer for a fuel cell having a thickness of 3.5 nm to 4.2 nm.
前記高分子電解質の厚さは、さらに、前記40%の相対湿度の状態において2.6nm〜2.8nmであり、かつ、前記200%の相対湿度の状態において3.8nm〜4.0nmである
燃料電池用触媒電極層。 The catalyst electrode layer for a fuel cell according to claim 1,
The thickness of the polymer electrolyte is 2.6 nm to 2.8 nm in the 40% relative humidity state, and 3.8 nm to 4.0 nm in the 200% relative humidity state. Catalyst electrode layer for fuel cells.
前記一対の触媒電極層のうちの少なくとも一方の触媒電極層は、請求項1または請求項2に記載の触媒電極層であることを特徴とする
膜電極接合体。 A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a pair of catalyst electrode layers provided on the electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein at least one of the pair of catalyst electrode layers is the catalyst electrode layer according to claim 1 or 2.
前記膜電極接合体は、請求項3に記載の膜電極接合体であることを特徴とする
燃料電池。 A membrane cell assembly in which a pair of catalyst electrode layers are formed on an electrolyte membrane, and a fuel cell in which a reaction gas flow path is formed on each of the catalyst electrode layers,
The fuel cell according to claim 3, wherein the membrane electrode assembly is the membrane electrode assembly according to claim 3.
(a)触媒が担持されたカーボンと高分子電解質とを含む触媒電極材料を用意する工程と、
(b)前記触媒電極材料を基材シート上に塗工して前記燃料電池用触媒電極層を形成する工程と、
を備え、
前記工程(a)は、
前記高分子電解質のイオン交換基の等価質量、および、前記高分子電解質の質量と前記カーボンの質量との比、を調整することによって、形成された前記燃料電池用触媒電極層における、前記触媒が担持されたカーボンの少なくとも一部を被覆する前記高分子電解質の第1の湿度状態での前記高分子電解質の厚さ、および、前記第1の湿度状態よりも高い第2の湿度状態での前記高分子電解質の厚さを制御する工程を含む
方法。 A method for producing a catalyst electrode layer for a fuel cell, comprising:
(A) preparing a catalyst electrode material comprising a catalyst-supported carbon and a polymer electrolyte;
(B) applying the catalyst electrode material on a base sheet to form the fuel cell catalyst electrode layer;
With
The step (a)
Equivalent mass of the ion exchange groups of the polymer electrolyte, and the ratio of the mass of the carbon and the mass of the polymer electrolyte, by adjusting, in the catalyst electrode layer is formed the fuel cell, said catalyst The thickness of the polymer electrolyte in the first humidity state of the polymer electrolyte covering at least a part of the supported carbon , and the second humidity state higher than the first humidity state A method comprising the step of controlling the thickness of the polymer electrolyte.
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