JPWO2011096355A1 - 固体高分子型燃料電池用膜電極構造体および固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、固体高分子型燃料電池は、高乾燥状態で発電を続けると、プロトン伝導膜(電解質膜)などのイオン導電性が低下して抵抗が大きくなるため発電性能が低下する一方、高湿潤状態となると、ガス拡散層や電極触媒層の細孔を防ぎ、反応ガスを阻害するため発電性能が低下する。
このようにすれば、電極触媒層および中間層のうち少なくとも一方が有する繊維状カーボンが支持柱の役割を果たすため、繊維状カーボンを有する層は、より多くの細孔を付与することができる。その結果、繊維状カーボンを有する層の反応ガスおよび発電により生成した水の出入りが容易になり、発電特性が向上する。
スルホン化ポリアリーレンポリマーは、保水量によるプロトン導電性能の変化が大きいため、発電特性の向上効果をさらに得ることができる。
プロトン伝導膜のイオン交換容量IECをこのような特定の範囲とすれば、プロトン伝導膜の含水量を十分に確保できるため、低湿度での発電特性を維持することができるとともに、含水量が過度ではないため、フラッディングを抑制して、高湿度での発電特性を維持することができる。
貴金属ナノ粒子の含有量をこのような特定の範囲とすれば、前記した特長を有する貴金属ナノ粒子を十分な量で含有させることができる。そのため、前記したように、電極付近が高乾燥状態となったときに、貴金属ナノ粒子が保持している水を電極触媒層3およびプロトン伝導膜4に供給(給水)することができ、プロトン伝導膜4のプロトン伝導性を高めることができるようになるだけでなく、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
カーボン粉末の含有量をこのような特定の範囲とすれば、中間層内の細孔を十分に確保することができるため、中間層内のガス拡散性や電極触媒層へのガス透過性を高めることができる。そのため、初期性能を高くすることができるだけでなく、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
電極電解質の含有量をこのような特定の範囲とすれば、十分な量の電極電解質を含有するので、プロトンを確実に伝導させることができる。そのため、初期性能を高くすることができる。
貴金属ナノ粒子の平均粒径をこのような特定の範囲とすれば、貴金属ナノ粒子の比表面積が大きくかつ高電位発生時であっても貴金属ナノ粒子が溶出し難い。そのため、より一層、初期性能を高くすることができ、また、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
そのため、本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体によれば、幅広い湿度範囲で安定して発電を行うことができ、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり難い。また、初期性能が高く、かつ長期間使用による性能低下を抑制することができる。
はじめに、図3を参照して本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体について説明する。
以下、各構成について詳細に説明する。
多孔質基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどを用いることができる。これらの多孔質基材は単独の使用の他、フッ素樹脂を付着させて撥水処理を施したり、酸化チタンやシリコーン、金属等によって親水化処理を施したりしてもよい。
下地層を形成したり、ガス拡散層4の表面を撥水処理したりすることにより、電極触媒層3で生成した水が移動し易くなるため、水によってガス拡散層4の細孔が塞がれるのを防止することができる。
一方で、中間層5の厚みが6μmを超えると、中間層5内におけるガス拡散性が妨げられるので、初期性能が低下する。
よって、中間層5の厚みは2〜6μmとする。
なお、中間層5の厚みは、例えば電子顕微鏡による断面画像の解析によって測定することができる。
貴金属ナノ粒子51の含有量が、単位投影面積で0.05mg/cm2未満となると、電極付近が高乾燥状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に吸水することや、電極付近が高湿潤状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に脱水することができない。
一方、貴金属ナノ粒子51の含有量が、単位投影面積で1mg/cm2を超えても得られる効果は飽和するばかりかコストが上昇し、好ましくない。
よって、貴金属ナノ粒子51の含有量は、単位投影面積で0.05〜1mg/cm2とするのが好ましい。
カソードCa側に用いられる中間層5aの貴金属ナノ粒子51の含有量がこの範囲であると、前記した作用に加えて、長期間使用による性能低下を抑制することができるようになる。
カソードCa側に用いられる中間層5aの貴金属ナノ粒子51の含有量が、単位投影面積で0.1mg/cm2未満となると、十分な量の貴金属ナノ粒子51を含有させることができなくなるため、長期間使用による性能低下を抑制することが難しくなる。
一方、カソードCa側に用いられる中間層5aの貴金属ナノ粒子51の含有量が、単位投影面積で0.5mg/cm2を超えると、中間層5の厚みが大きくなるため電極触媒層3aへのガス透過性が低くなり、初期性能が低下する。
よって、中間層5のうち、カソードCa側に用いられる中間層5aの貴金属ナノ粒子51の含有量については、単位投影面積で0.1〜0.5mg/cm2とするのが好ましい。
貴金属ナノ粒子51の平均粒径が4nm未満であると、高電位発生時に貴金属ナノ粒子51が溶出し易く、使用により初期性能が低下するおそれがある。
一方、貴金属ナノ粒子51の平均粒径が20nmを超えると、比表面積が減少して吸水性能が低下するため、電極付近が高乾燥状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に吸水する効果や、電極付近が高湿潤状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に脱水する効果を得ることができない。そのため、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり易い。
よって、貴金属ナノ粒子51の平均粒径は、4〜20nmとするのが好ましい。
カソードCa側の中間層5aに用いる貴金属ナノ粒子51の平均粒径がこの範囲であると、比表面積が大きく、活性も高く、高電位発生時であっても貴金属ナノ粒子51が溶出し難いため、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
カソードCa側の中間層5aに用いる貴金属ナノ粒子51の平均粒径が4nm未満であると、比表面積が増加し、活性も向上するため初期性能の向上が見込まれるものの、高電位発生時に貴金属ナノ粒子51が溶出し易くなるため、長期間使用による性能低下が進み易い。
一方、カソードCa側の中間層5aに用いる貴金属ナノ粒子51の平均粒径が7nmを超えると、高電位発生時に貴金属ナノ粒子51が溶出し難いため、長期間使用による性能低下が緩和されるものの、比表面積が減少し、活性も低下するため、初期性能が低下する。
よって、カソードCa側の中間層5aに用いる貴金属ナノ粒子51の平均粒径については、4〜7nmとするのが好ましい。
電極電解質52に用いられる電極電解質(イオン導電性ポリマー)としては、例えばデュポン社製ナフィオン(登録商標)の粉末および分散溶液、旭化成社製アシプレックス(商品名)の粉末および分散溶液、旭硝子社製フレミオン(登録商標)の粉末および分散溶液を挙げることができる。電極電解質52に用いられる電極電解質は、これらの中から選択される1種を選択して使用することもできるし、2種以上を選択して併用することもできる。
電極電解質52の含有量がこの範囲であると、十分な量の電極電解質を含有するので、プロトンを確実に伝導させることができる。そのため、初期性能を高くすることができる。
電極電解質52の含有量が、貴金属ナノ粒子51の含有量に対して20質量%未満であると、プロトンH+の伝導が不十分となるため初期性能が低下する。また、貴金属ナノ粒子51やカーボン粉末を結着することができないためこれらの脱落が生じ、中間層5を形成することが困難となる。
一方、電極電解質52の含有量が、貴金属ナノ粒子51の含有量に対して25質量%を超えると、中間層5内の細孔が不十分となる。そのため、中間層5内のガス拡散性や電極触媒層3へのガス透過性が低下し、初期性能が低下する。
よって、電極電解質52の含有量は、貴金属ナノ粒子51の含有量に対して20〜25質量%とするのが好ましい。
カーボン粉末の含有量がこの範囲であると、中間層5内の細孔を十分に確保することができるため、中間層5内のガス拡散性や電極触媒層3へのガス透過性を高めることができる。そのため、初期性能を高くすることができるだけでなく、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
カーボン粉末の含有量が、貴金属ナノ粒子51の含有量に対して15質量%未満となると、中間層5内の細孔が不十分となる。そのため、中間層5内のガス拡散性や電極触媒層3へのガス透過性が低下し、初期性能が低下する。また、高電位発生時にカーボンが腐食するので電極電解質52の比率が高くなり、親水性が高くなるため長期間使用による性能低下が進み易くなる。
一方、カーボン粉末の含有量が、貴金属ナノ粒子51の含有量に対して45質量%を超えると、中間層5が厚くなり、電極触媒層3へのガス透過性が低下するため、初期性能が低下する。
よって、カーボン粉末の含有量は、貴金属ナノ粒子51の含有量に対して15〜45質量%とするのが好ましい。
図4に示すように、本発明に係る固体高分子型燃料電池10は、前記した固体高分子型燃料電池用膜電極構造体1と、図示しない隣り合う固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の間に挟まれて設けられるセパレータ11と、を鉛直に複数配置してなる。
ここで、セパレータ11は、反応ガスを鉛直方向に流すようにガス導入部を上部に形成するとともに、ガス導出部を下部に形成されている。
[実施例1]
実施例1の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を下記(1)〜(7)のようにして作製した。
(1)プロトン伝導膜の準備
プロトン伝導膜は、特開2005−158265号公報の段落[0066]〜段落[0079]に記載の方法に従って準備した。具体的には次のようにして準備した。
次に、前記淡緑色透明溶液をガラス板状にキャストして製膜した。製膜後、水中に3日間浸漬し、風乾、真空乾燥し、乾燥膜厚50μmのプロトン伝導膜を得た(後記する表2においてPEM種「HC系」と示す。)。
得られたプロトン伝導膜のイオン交換容量IECを中和滴定法によって測定したところ、2.2meq/g(ミリ当量/g)であった。
まず、NPA(ノルマルプロピルアルコール)と水の比率を質量比で1:2とした溶媒を準備した。この溶媒180gに燃料電池用白金触媒(田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒TEC36F52)を30g投入し、さらに気相成長炭素繊維(昭和電工社製、商品名:VGCF)を10g投入した。
その後、イオン導伝性樹脂溶液(20%溶液、デュポン社製、商品名:DE2020)を80g投入し、3次元攪拌機で10分間攪拌した。
その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて80rpm×120分攪拌して均一化し、カソード電極インクを作製した。
(2)で作製したカソード電極インクの白金量が0.5mg/cm2となるようにPETフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、60℃で10分間加熱した後、減圧下、100℃で15分間加熱して、乾燥させることによりカソード電極シート(電極触媒層)を作製した。
まず、NPAと水の比率が質量比で2:1の溶媒を準備した。この溶媒180gに燃料電池用白金触媒(田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒TEC36F52)を30g投入し、さらに気相成長炭素繊維(昭和電工社製、商品名:VGCF)を7g投入した。
その後、イオン導伝性樹脂溶液(20%溶液、デュポン社製、商品名:DE2020)を70g投入し、3次元攪拌機で10分間攪拌した。
その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて80rpm×120分攪拌して均一化し、アノード電極インクを作製した。
作製したアノード電極インクの白金量が0.2mg/cm2となるようにPETフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、60℃で10分間加熱した後、減圧下、100℃で15分間加熱して、乾燥させることによりアノード電極シート(電極触媒層)を作製した。
カーボンブラック(三菱化学製ケッチェンブラックEC)とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子(三井・デュポンフロロケミカル製テフロン(登録商標)640J)とを4:6の質量比で混合して得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させ、スラリーを作製した。
その後、作製したスラリーを東レ製カーボンペーパーTGP−H060の平坦面に塗布し、乾燥させて下地層を形成し、カーボンペーパーと下地層とからなるガス拡散層を作製した。
NPAと水の比率が質量比で1:2の溶媒を準備した。この溶媒50gに白金ブラック粉末(田中貴金属工業社製燃料電池用触媒TEC90400)を10g投入し、さらに気相成長炭素繊維(昭和電工社製、商品名:VGCF)を2g投入した。なお、白金ブラック粉末の平均粒径は4.6nmだった。
その後、イオン導伝性樹脂溶液(20%溶液、デュポン社製、商品名:DE2020)を10g投入し、3次元攪拌機で10分間攪拌した。
その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて80rpm×60分攪拌して均一化し、中間層インクを作製した。
作製した中間層インクを、(5)で作製したガス拡散層の下地層部分に白金量が単位投影面積で0.2mg/cm2となるようにスクリーン印刷して塗工し、乾燥させて中間層を作製した。
(1)で作製したプロトン伝導膜を、アノード電極シートの電極塗工面とカソード電極シートの電極塗工面に接するように挟持し、120℃、2.0MPaの条件下、8分間のホットプレスを行い、その後、アノード電極シートおよびカソード電極シートのPETシートを剥がすことでプロトン伝導膜に電極層が形成された接合体(CCM)を作製した。
次に、(6)で作製した中間層を有するガス拡散層を2枚用意し、これらガス拡散層の中間層の間にCCMを挟持して150℃、2.5MPaの条件下、12分間のホットプレスを行って一体化し、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体(MEA)を製造した。
比較例1は、実施例1の(6)の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例1と同様の組成および手法で作製した。
実施例2は、実施例1の(1)のプロトン伝導膜の準備において、前記式(5)で表される4−〔4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸iso−ブチルを13.04gにした以外は、実施例1と全て同じ手法でMEAを作製した。
比較例2は、実施例1の(6)の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例2と同様の組成および手法で作製した。
実施例3は、実施例1の(1)のプロトン伝導膜の準備において、前記式(5)で表される4−〔4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸iso−ブチルを11.82gにした以外は、実施例1と全て同じ手法でMEAを作製した。
比較例3は、実施例1の(6)の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例3と同様の組成および手法で作製した。
実施例4は、実施例1の(1)のプロトン伝導膜の準備において、前記式(5)で表される4−〔4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸iso−ブチルを16.87gにした以外は、実施例1と全て同じ手法でMEAを作製した。
比較例4は、実施例1の(6)の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例4と同様の組成および手法で作製した。
実施例5は、実施例1の(1)のプロトン伝導膜の準備において、前記式(5)で表される4−〔4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸iso−ブチルを17.64gにした以外は、実施例1と全て同じ手法でMEAを作製した。
比較例5は、実施例1の(6)の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例5と同様の組成および手法で作製した。
実施例6は、実施例1の(1)のプロトン伝導膜の準備において、プロトン伝導膜に市販のフッ素系電解質膜(デュポン社製ナフィオン(登録商標)N112)を用いた(下記表2においてPEM種「F系」と示す。)以外は、実施例1と全て同じ手法でMEAを作製した。
比較例6は、実施例1の(6)の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例6と同様の組成および手法で作製した。
なお、プロトン伝導膜には、デュポン社製ナフィオン(登録商標)N112を用いた。
実施例7は、実施例1と同じMEAを用いて図5(a)および(b)に示すセパレータ11の間に配置して縦置きした(すなわち鉛直に配置した)(下記表2においてPEM種「HC系;縦」と示す。)。なお、セパレータ11の上部に反応ガスのガス導入部11aが位置するように設置するとともに、セパレータ11の下部に反応ガスのガス導出部11bが位置するように設置した。
比較例7は、実施例1の(6)の中間層の作製において、白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例7と同様した。
比較例8は、実施例1の(6)の中間層の作製を次のようにした以外は、実施例1と全て同じ手法でMEAを作製した。
比較例8における中間層は、NPAと水の比率が質量比で1:2の溶媒を準備し、この溶媒50gに白金担持カーボン粉末(田中貴金属工業社製燃料電池用触媒TEC10EA30E)を18g投入し、さらに気相成長炭素繊維(昭和電工社製、商品名:VGCF)を3g投入した。
その後、イオン導伝性樹脂溶液(20%溶液、デュポン社製、商品名:DE2020)を20g投入し、3次元攪拌機で10分間攪拌した。
その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて80rpm×60分攪拌して均一化し、中間層インクを作製した。
作製した中間層インクを、実施例1の(5)と同様の手法で作製したガス拡散層の下地層部分に白金量が単位投影面積で0.2mg/cm2となるようにスクリーン印刷して塗工し、乾燥させて中間層を作製した。
作製した実施例1〜7および比較例1〜8について、発電性能の安定性の評価を行った。評価は以下の条件にて行った。
発電性能の安定性の評価は、電極面積25cm2(実施例7および比較例7においては電極面積50cm2)としたJARI標準セルにて行った(図5(a)および(b)参照)。セル温度は70℃とし、アノードガスとして純水素を用い、カソードガスとして空気を用い、ガス流は平行流とした。なお、セパレータの材質はカーボンであり、ガス流路の山幅を2mm、溝幅を2mmとした。
アノードガスとカソードガスのガス圧はともに100kPaとし、これらの反応ガスの加湿条件はアノード/カソードでそれぞれ50/50%Rh、75/75%Rhおよび100/100%Rhとした。そして、それぞれの加湿条件にて1A/cm2の電流密度の発電時のセル電圧を読み取り、それぞれのセル電圧の標準偏差(mV)を算出して発電性能の安定性の評価の指標とした。
なお、IECが1.9meq/gのものと2.2meq/gのものは、中間層に白金黒を添加することでセル電圧の変動抑制効果がより大きくなることがわかった。
また、IECが低い(例えばIEC1.7meq/g)ものは、低湿度(50/50%Rh)となると水不足によって導電性が悪化するため電圧が低下すること、およびIECが高い(例えばIEC2.5meq/g)ものは、高湿度(100/100%Rh)となるとフラッディングにより電圧が低下することがわかった。
さらに、実施例7ではセルを縦置きとしたにも関わらず、比較例1よりも変動抑制効果が大きいことがわかった。
また、比較例8は、低湿度における電圧が低下した。これは、白金担持カーボン粉末中のカーボンが撥水性を有するため、生成した水が速やかに排出され、乾燥状態になったことが原因だと考えられる。
次に、カソード側の中間層について、当該中間層の厚み、貴金属ナノ粒子の含有量、カーボン粉末の含有量、電極電解質の含有量、および貴金属ナノ粒子の平均粒径を対象とした好適条件の検討を行った。
かかる好適条件の検討は、下記に示す実施例8〜10および比較例9〜12を用いて行った。実施例8〜10および比較例9〜12は下記(1)〜(10)のようにして作製した。
NPAと水の比率を質量比で1:2とした溶媒を準備し、当該溶媒を燃料電池用白金触媒(田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒TEC36F52)の質量比で10倍量となるように加えた。
その後、イオン導伝性樹脂溶液としてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物(デュポン社製、ナフィオン(登録商標)D2020)溶液を用い、燃料電池用白金触媒:イオン導伝性樹脂溶液中のポリマー分=1:1.5の質量比となるように投入した。
その後、所定のインク粘度となるまで攪拌して得られた混合溶液を、遊星ボールミルを用いて80rpm×120分攪拌して均一化し、カソード電極インクを作製した。
(1)で作製したカソード電極インクの白金量が0.5mg/cm2となるようにPETフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、60℃で10分間加熱した後、減圧下、100℃で15分間加熱して、乾燥させることによりカソード電極シート(電極触媒層)を作製した。
NPAと水の比率を質量比で1:2とした溶媒を準備し、当該溶媒を燃料電池用白金触媒(田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒TEC10EA50E)の質量比で10倍量となるように加えた。
その後、イオン導伝性樹脂溶液としてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物(デュポン社製、ナフィオン(登録商標)D2020)溶液を用い、燃料電池用白金触媒:イオン導伝性樹脂溶液中のポリマー分=1:1の質量比となるように投入した。
その後、所定のインク粘度となるまで攪拌して得られた混合溶液を、遊星ボールミルを用いて80rpm×120分攪拌して均一化し、アノード電極インクを作製した。
作製したアノード電極インクの白金量が0.2mg/cm2となるようにPETフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、60℃で10分間加熱した後、減圧下、100℃で15分間加熱して、乾燥させることによりアノード電極シート(電極触媒層)を作製した。
ガス拡散層は、前記1.(5)ガス拡散層の作製で記載したのと同様にして作製した。
NPAと水の比率が質量比で1:2の溶媒を準備し、この溶媒25gに白金ブラック粉末(田中貴金属工業社製燃料電池用触媒TEC90300)を5g投入した。さらに、カーボンブラック(Cabot社製、商品名:VulcanXC−72)を、下記表3の実施例8〜10および比較例9〜12に示す量[g]投入した。なお、白金ブラック粉末の平均粒径は4.6nmであった。
その後、イオン導伝性樹脂溶液(20%溶液、デュポン社製、商品名:D2020)を下記表3に示す量[g(溶液)]投入し、3次元攪拌機で10分間攪拌した。
その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて80rpm×60分攪拌して均一化し、中間層インクを作製した。
作製した中間層インクを、(4)で作製したガス拡散層の下地層部分に白金量が単位投影面積で下記表3に示す量[mg/cm2]となるようにスクリーン印刷して塗工し、乾燥させて、実施例8〜10および比較例9〜12に係る中間層を作製した。
プロトン伝導膜は、市販のフッ素系電解質膜(デュポン社製ナフィオン(登録商標)N112)を用いた。
当該プロトン伝導膜を、アノード電極シートの電極塗工面とカソード電極シートの電極塗工面に接するように挟持し、120℃、2.0MPaの条件下、8分間のホットプレスを行い、その後、アノード電極シートおよびカソード電極シートのPETシートを剥がすことでプロトン伝導膜に電極層が形成された接合体(CCM)を作製した。
次に、(5)で作製した実施例8〜10および比較例9〜12に係る中間層をそれぞれ1枚用意し、これらのアノード側ガス拡散層、CCM、前記(5)で作製した中間層(カソード側中間層)、カソード側ガス拡散層の順に積層して150℃、2.5MPaの条件下、12分間のホットプレスを行って一体化し、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体(MEA)を製造した。
なお、電子顕微鏡による断面写真を解析することによりMEAの中間層の厚みを測定したところ、その厚み[μm]は下記表3に示すとおりとなった。
実施例8〜10および比較例9〜12について、初期のセル電圧[mV]を測定するとともに、所定回数起動した後の電圧低下推移を線形近似で算出した。それぞれ、初期性能および性能低下速度として後記する表4に記載する。
なお、初期性能の測定および性能低下速度の算出は次のようにして行った。
なお、起動回数を3000回としたのは、性能低下速度を精度よく評価するためには40mV程度のセル電圧低下量が必要とされており、従来40mV以上のセル電圧低下が発生していた3000回の起動を実施することにより、長期間使用による性能低下を的確に判断できると考えられたためである。
実施例8〜10および比較例9〜12の初期性能[mV]および性能低下速度[mV/1000回]として表4に記載する。
なお、表4に示す初期性能については、600mV以上を合格(○)、600mV未満を不合格(×)とした。また、性能低下速度については、20mV/1000回以下を合格(○)、20mV/1000回を超えるものを不合格(×)とした。
一方、比較例9〜12は、本発明の要件のうちの少なくとも1つを満たさないため、初期性能および性能低下速度うちの少なくとも一方の結果が不合格となった。
比較例10は、中間層の厚みが6μmを超えており、白金ブラック粉末(貴金属ナノ粒子)の含有量が単位投影面積で0.5mg/cm2を超えていたため、初期性能が不合格(×)となった。
比較例11は、中間層の厚みが6μmを超えており、カーボンブラック(カーボン粉末)の含有量が、白金ブラック粉末(貴金属ナノ粒子)の含有量に対して45質量%を超えていたため、初期性能が不合格(×)となった。
また、比較例12は、中間層の厚みが2μm未満であり、カーボンブラック(カーボン粉末)の含有量が、白金ブラック粉末(貴金属ナノ粒子)の含有量に対して15質量%未満であったため、初期性能および性能低下速度の両方が不合格(×)となった。
例えば、実施形態として中間層をアノード、カソード両側に配置した形態、カソード側にのみ配置した形態を示したが、アノード側のみに配置をしても前記形態ほどではないにしても本発明の効果は得られる。
2 プロトン伝導膜
3 電極触媒層
4 ガス拡散層
5 中間層
51 貴金属ナノ粒子
52 電極電解質
10 固体高分子型燃料電池
Claims (9)
- プロトンを伝導するプロトン伝導膜と、
前記プロトン伝導膜の両面に設けられ、触媒粒子と電極電解質とを有する電極触媒層と、
前記電極触媒層の上に設けられ、多孔質基材を有するガス拡散層と、
を備えた固体高分子型燃料電池用膜電極構造体であって、
少なくとも一方の前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に、貴金属ナノ粒子と、電極電解質と、カーボン粉末と、を有し、厚みが2〜6μmである中間層を設けた
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。 - 前記電極触媒層および前記中間層のうち少なくとも一方が繊維状カーボンを有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
- 前記プロトン伝導膜がスルホン化ポリアリーレンポリマーであることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
- 前記プロトン伝導膜のイオン交換容量IECが1.9〜2.4meq/gであることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第3項のうちのいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
- 前記貴金属ナノ粒子の含有量が単位投影面積で0.1〜0.5mg/cm2であることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第3項のうちのいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
- 前記カーボン粉末の含有量が、前記貴金属ナノ粒子の含有量に対して15〜45質量%であることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第3項のうちのいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
- 前記電極電解質の含有量が、前記貴金属ナノ粒子の含有量に対して20〜25質量%であることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第3項のうちのいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
- 前記貴金属ナノ粒子の平均粒径が4〜7nmであることを特徴とする請求の範囲第1項から請求の範囲第3項のうちのいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
- 請求の範囲第1項から請求の範囲第3項のうちのいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を用いた固体高分子型燃料電池であって、
前記固体高分子型燃料電池用膜電極構造体と、隣り合う前記固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の間に挟まれて設けられるセパレータと、を鉛直に配置し、かつ
前記セパレータは、反応ガスを鉛直方向に流すようにガス導入部を上部に形成するとともに、ガス導出部を下部に形成した
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
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