JP6196283B2 - 燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法、固体高分子形燃料電池、および触媒インクの製造方法 - Google Patents
燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法、固体高分子形燃料電池、および触媒インクの製造方法 Download PDFInfo
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Description
(1)本発明の第1の形態は、燃料電池用電極である。
この燃料電池用電極は、触媒を担持させた導電性の担体である触媒担体と、
第1電解質樹脂と、
第2電解質樹脂と、を備え、
前記第1電解質樹脂は前記触媒担体を部分的に被覆し、
前記第2電解質樹脂は、前記第1電解質樹脂に被覆されていない部分における前記触媒担体と、前記第1電解質樹脂と、を被覆し、
前記第1電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10 -14 mol/(m・s・Pa)未満の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10- 14 mol/(m・s・Pa)以上の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、環状構造を有する環式化合物を含み、
前記第1電解質樹脂は、前記環式化合物の含有量が前記第2電解質樹脂よりも少ない、もしくは、前記環式化合物を含まない。
(2)上記形態の燃料電池用電極において、
前記第1電解質樹脂の質量の割合は、前記第1電解質樹脂と前記第2電解質樹脂とを合わせた質量に対して、2%以上50%以下であってもよい。
(3)本発明の第2の形態は、燃料電池用電極の製造方法である。
この形態の燃料電池用電極の製造方法は、
少なくとも触媒を担持させた導電性の担体である触媒担体と、第1電解質樹脂とを、溶媒に分散させた第1触媒インクを調製する工程と、
前記第1触媒インクに、第2電解質樹脂を分散させた第2触媒インクを調製する工程と、
前記第2触媒インクを、電極用基材に塗布して、前記第2触媒インクに含まれる溶媒の少なくとも一部を蒸発させる工程と、を備え、
前記第1電解質樹脂は前記触媒担体を部分的に被覆し、
前記第2電解質樹脂は、前記第1電解質樹脂に被覆されていない部分における前記触媒担体と、前記第1電解質樹脂と、を被覆し、
前記第1電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10 -14 mol/(m・s・Pa)未満の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10 -14 mol/(m・s・Pa)以上の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、環状構造を有する環式化合物を含み、
前記第1電解質樹脂は、前記環式化合物の含有量が前記第2電解質樹脂よりも少ない、もしくは、前記環式化合物を含まない。
(4)上記形態の燃料電池用電極の製造方法において、
前記第1触媒インクを調製する工程又は前記第2触媒インクを調製する工程では、前記第1電解質樹脂の質量の割合が、前記第1電解質樹脂と前記第2電解質樹脂を合わせた質量に対して、2%以上50%以下になるように調製してもよい。
(5)本発明の第3の形態は、上記形態に記載の燃料電池用電極を備える、固体高分子形燃料電池である。
(6)本発明の第4の形態は、燃料電池用触媒インクの製造方法である。
この形態の燃料電池用触媒インクの製造方法は、
少なくとも触媒を担持させた導電性の担体である触媒担体と、第1電解質樹脂と、を、溶媒に分散させた第1触媒インクを調製する工程と、
前記第1触媒インクに、第2電解質樹脂を分散させた第2触媒インクを調製する工程と、を備え、
前記第1電解質樹脂は前記触媒担体を部分的に被覆し、
前記第2電解質樹脂は、前記第1電解質樹脂に被覆されていない部分における前記触媒担体と、前記第1電解質樹脂と、を被覆し、
前記第1電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10 -14 mol/(m・s・Pa)未満の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10 -14 mol/(m・s・Pa)以上の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、環状構造を有する環式化合物を含み、
前記第1電解質樹脂は、前記環式化合物の含有量が前記第2電解質樹脂よりも少ない、もしくは、前記環式化合物を含まない。
また、本発明は、以下の適用例として実現することも可能である。
図1は、本発明の一実施形態としての固体高分子形燃料電池を構成する燃料電池10の概略構成を示す断面模式図である。燃料電池10は、電解質膜30と、電解質膜30の両面にそれぞれ形成されるカソード側電極31cおよびアノード側電極31aと、それら電極上に形成されるカソード側ガス拡散層32cおよびアノード側ガス拡散層32aとを有する膜電極接合体20を備える。また、燃料電池10は、膜電極接合体20の両面に、カソード側セパレータ33cおよびアノード側セパレータ33aを備える。カソード側ガス拡散層32cとカソード側セパレータ33cとの間には、酸化剤ガス流路34cが、アノード側ガス拡散層32aとアノード側セパレータ33aの間には、燃料ガス流路34aが形成されている。電解質膜30は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する膜を使用することができ、例えばデュポン社のナフィオン(Nafion:登録商標)膜を用いることができる。
図4は、本実施形態の燃料電池10が備える電極(カソード側電極31c、アノード側電極31a)の製造方法を示すフローチャートである。電極を製造する際には、まず、カーボン担体130に触媒120を担持した触媒担持カーボン110と、一般型電解質樹脂141と、溶媒とを用意して、それらを攪拌した溶液を、例えば超音波ホモジナイザーなどによって分散させることで、触媒インクを調製する(ステップS10)。以降、ステップS10において得られた触媒インクを第1触媒インクという。本実施形態においては触媒120として白金を、カーボン担体130としてBET比表面積(BET法により測定される比表面積)が264m2/gのアセチレンブラックを使用する。触媒担持カーボン110は白金を質量百分率にして50%担持している。また、溶媒として水とエタノールを使用する。
以下、一般型電解質樹脂141の割合を2%以上20%以下とした根拠について、いくつかの実験結果に基づいて説明する。
図19は、一般型電解質樹脂141の割合と、燃料電池10の発電性能、電極表面の状態(ひび割れ発生程度)をまとめて表した図である。図19より、燃料電池10に用いる触媒インクとして、電極の表面状態を考慮した場合には、触媒インクB〜G、すなわち一般型電解質樹脂141の質量の割合が2%以上である触媒インクが好ましいといえる。また、発電性能を考慮した場合には、触媒インクA〜E、すなわち一般型電解質樹脂141の質量の割合が20%以下である触媒インクを使用することができる。そして、良好な表面状態および良好な発電性能の両方を満たすためには、一般型電解質樹脂141の質量の割合が2%以上20%以下であると好ましいことが示された。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、以下のような変形が可能である。
20…膜電極接合体
30…電解質膜
31a…アノード側電極
31c…カソード側電極
32a…アノード側ガス拡散層
32c…カソード側ガス拡散層
33a…アノード側セパレータ
33c…カソード側セパレータ
34a…燃料ガス流路
34c…酸化剤ガス流路
40…CPE成分
110…触媒担持カーボン
120…触媒
130…カーボン担体
141…一般型電解質樹脂
142…高酸素透過性電解質樹脂
Z…等価回路
Ra…反応抵抗成分
Lg…擬似リアクタンス成分
Rg…擬似抵抗成分
Rh…補正抵抗成分
Ri…イオン伝導抵抗成分
Rm…膜抵抗成分
Claims (4)
- 燃料電池用電極であって、
触媒を担持させた導電性の担体である触媒担体と、
第1電解質樹脂と、
第2電解質樹脂と、を備え、
前記第1電解質樹脂は前記触媒担体を部分的に被覆し、
前記第2電解質樹脂は、前記第1電解質樹脂に被覆されていない部分における前記触媒担体と、前記第1電解質樹脂と、を被覆し、
前記第1電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10-14mol/(m・s・Pa)未満の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10-14mol/(m・s・Pa)以上の酸素透過性を有し、
前記第1電解質樹脂の質量の割合は、前記第1電解質樹脂と前記第2電解質樹脂とを合わせた質量に対して、2%以上20%以下であり、
前記第2電解質樹脂は、環状構造を有する環式化合物を含み、
前記第1電解質樹脂は、前記環式化合物の含有量が前記第2電解質樹脂よりも少ない、もしくは、前記環式化合物を含まない、
燃料電池用電極。 - 燃料電池用電極の製造方法であって、
少なくとも触媒を担持させた導電性の担体である触媒担体と、第1電解質樹脂とを、溶媒に分散させた第1触媒インクを調製する工程と、
前記第1触媒インクに、第2電解質樹脂を分散させた第2触媒インクを調製する工程と、
前記第2触媒インクを、電極用基材に塗布して、前記第2触媒インクに含まれる溶媒の少なくとも一部を蒸発させる工程と、を備え、
前記第1電解質樹脂は前記触媒担体を部分的に被覆し、
前記第2電解質樹脂は、前記第1電解質樹脂に被覆されていない部分における前記触媒担体と、前記第1電解質樹脂と、を被覆し、
前記第1電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10-14mol/(m・s・Pa)未満の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10-14mol/(m・s・Pa)以上の酸素透過性を有し、
前記第2触媒インクを調製する工程では、前記第1電解質樹脂の質量の割合が、前記第1電解質樹脂と前記第2電解質樹脂を合わせた質量に対して、2%以上20%以下になるように調整し、
前記第2電解質樹脂は、環状構造を有する環式化合物を含み、
前記第1電解質樹脂は、前記環式化合物の含有量が前記第2電解質樹脂よりも少ない、もしくは、前記環式化合物を含まない、
燃料電池用電極の製造方法。 - 請求項1に記載の燃料電池用電極を備える、固体高分子形燃料電池。
- 燃料電池用触媒インクの製造方法であって、
少なくとも触媒を担持させた導電性の担体である触媒担体と、第1電解質樹脂と、を、溶媒に分散させた第1触媒インクを調製する工程と、
前記第1触媒インクに、第2電解質樹脂を分散させた第2触媒インクを調製する工程と、を備え、
前記第1電解質樹脂は前記触媒担体を部分的に被覆し、
前記第2電解質樹脂は、前記第1電解質樹脂に被覆されていない部分における前記触媒担体と、前記第1電解質樹脂と、を被覆し、
前記第1電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10-14mol/(m・s・Pa)未満の酸素透過性を有し、
前記第2電解質樹脂は、温度80℃および相対湿度50%の環境下において2.2×10-14mol/(m・s・Pa)以上の酸素透過性を有し、
前記第2触媒インクを調製する工程では、前記第1電解質樹脂の質量の割合が、前記第1電解質樹脂と前記第2電解質樹脂を合わせた質量に対して、2%以上20%以下になるように調整し、
前記第2電解質樹脂は、環状構造を有する環式化合物を含み、
前記第1電解質樹脂は、前記環式化合物の含有量が前記第2電解質樹脂よりも少ない、もしくは、前記環式化合物を含まない、
燃料電池用触媒インクの製造方法。
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