JP5144183B2 - Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same - Google Patents
Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP5144183B2 JP5144183B2 JP2007235756A JP2007235756A JP5144183B2 JP 5144183 B2 JP5144183 B2 JP 5144183B2 JP 2007235756 A JP2007235756 A JP 2007235756A JP 2007235756 A JP2007235756 A JP 2007235756A JP 5144183 B2 JP5144183 B2 JP 5144183B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrolyte
- electrolyte membrane
- side electrode
- titania
- electrode assembly
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質膜が介装された電解質・電極接合体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte membrane is interposed between an anode side electrode and a cathode side electrode, and a method for manufacturing the same.
燃料電池は、電解質・電極接合体が1対のセパレータで挟持された単位セルが所定数だけ積層されることで構成されたスタックを具備する。ここで、電解質・電極接合体は、固体高分子膜や酸化物膜等からなる電解質膜がアノード側電極とカソード側電極との間に介装された形態となっており、固体高分子膜の場合、アノード側電極からカソード側電極に向かってプロトンを伝導させるプロトン伝導体として機能する。固体高分子膜の材質としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂やフッ化ビニリデン樹脂等のフッ素樹脂、又は、ポリスチレン樹脂やポリエチレン樹脂等の炭化水素樹脂が挙げられる。 The fuel cell includes a stack configured by stacking a predetermined number of unit cells each having an electrolyte / electrode assembly sandwiched between a pair of separators. Here, the electrolyte / electrode assembly has a form in which an electrolyte film made of a solid polymer film or an oxide film is interposed between the anode side electrode and the cathode side electrode. In this case, it functions as a proton conductor that conducts protons from the anode side electrode toward the cathode side electrode. Examples of the material of the solid polymer film include fluorine resins such as perfluorocarbon sulfonic acid resin and vinylidene fluoride resin, or hydrocarbon resins such as polystyrene resin and polyethylene resin.
この種の固体高分子膜には、乾燥環境下でプロトン伝導度が低下するという不具合がある。そこで、燃料電池の運転中、各電極に供給する反応ガスの湿度を制御することで湿潤状態を保つことが一般的に行われている。 This type of solid polymer membrane has a problem that proton conductivity decreases in a dry environment. Therefore, during operation of the fuel cell, it is generally performed to keep the wet state by controlling the humidity of the reaction gas supplied to each electrode.
しかしながら、反応ガスの実際の湿度が制御値となるまでには若干の時間の遅れが生じてしまい、また、実際の温度を迅速に制御するために複雑な制御装置が必要となるという不具合がある。 However, there is a problem that a slight time delay occurs until the actual humidity of the reaction gas reaches the control value, and a complicated control device is required to quickly control the actual temperature. .
そこで、特許文献1では、湿度の低下に関わらずプロトン伝導度を確保する観点から、水素を吸蔵可能で且つ水素をプロトンに電離可能な導電性成分をマトリックスに分散させて電解質膜を構成することが提案されている。なお、導電性成分としては、ZrO2、SiO2、TiO2、Al2O3、SiO2・Al2O3、Sb2O5、ゼオライト、活性炭、カーボンナノチューブ、チタニアナノチューブ、シリカナノチューブ、フラーレン等の多孔質粒子の細孔内に、Pd、Pt、Ru、Ag、Ni、Cu、Sn、Zn等の金属微粒子を担持させたものが用いられている。 Therefore, in Patent Document 1, from the viewpoint of ensuring proton conductivity regardless of a decrease in humidity, a conductive component that can occlude hydrogen and can ionize hydrogen into protons is dispersed in a matrix to form an electrolyte membrane. Has been proposed. As the conductive component, ZrO 2 , SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 .Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , zeolite, activated carbon, carbon nanotube, titania nanotube, silica nanotube, fullerene, etc. In this porous particle, a metal particle such as Pd, Pt, Ru, Ag, Ni, Cu, Sn, Zn or the like is supported.
また、特許文献2には、固体高分子膜、アノード側電極の触媒層、カソード側電極の触媒層の少なくともいずれか1つにシリカ微粒子又はシリカファイバを含有させると、固体高分子膜の保水量が大きくなり、このために該固体高分子膜が乾燥することが防止されるとの記載がある。 Patent Document 2 discloses that when at least one of a solid polymer film, a catalyst layer of an anode side electrode, and a catalyst layer of a cathode side electrode contains silica fine particles or silica fibers, the water retention amount of the solid polymer film There is a description that the solid polymer membrane is prevented from drying for this reason.
特許文献1記載の技術は、固体高分子膜の保水能を向上させるものではなく、プロトン伝導度を向上させることを目的としたものであり、このために多孔質粒子の細孔内に金属微粒子を担持させるようにしている。しかしながら、この場合、金属微粒子の担持過程で不純物が混入する懸念がある。このような事態が生じると、固体高分子膜のプロトン伝導度が低下してしまう。 The technique described in Patent Document 1 is not intended to improve the water retention ability of the solid polymer membrane but to improve proton conductivity. For this purpose, metal fine particles are placed in the pores of the porous particles. Is to be carried. However, in this case, there is a concern that impurities are mixed in the process of supporting the metal fine particles. When such a situation occurs, the proton conductivity of the solid polymer membrane decreases.
また、特許文献2に記載されているようにシリカを用いた場合、反応ガスを湿潤状態とすると、固体高分子型燃料電池の一般的な運転条件である80℃では、電圧が1VであってもH4SiO4、H2SiO3に変化することが懸念される。この運転条件下では、SiO2よりもH4SiO4、H2SiO3の方が熱力学的に安定であるからである。勿論、この場合、電解質・電極接合体に変質が起こることになる。 In addition, when silica is used as described in Patent Document 2, if the reaction gas is in a wet state, the voltage is 1 V at 80 ° C., which is a general operating condition of the polymer electrolyte fuel cell. There is also a concern that it may be changed to H 4 SiO 4 or H 2 SiO 3 . This is because H 4 SiO 4 and H 2 SiO 3 are thermodynamically more stable than SiO 2 under these operating conditions. Of course, in this case, alteration occurs in the electrolyte / electrode assembly.
以上のように、従来技術に係る電解質・電極接合体には、固体高分子膜のプロトン伝導度が低下したり、変質が起こったりする懸念を払拭できないという不都合が顕在化している。 As described above, the electrolyte / electrode assembly according to the prior art has an inconvenience that the proton conductivity of the solid polymer membrane is lowered or the concern that the alteration occurs cannot be eliminated.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、優れた保水能を長期間にわたって維持し、変質が起こることもなく、しかも、強度にも優れる電解質膜を有する電解質・電極接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and maintains an excellent water retention ability over a long period of time, does not cause alteration, and has an electrolyte membrane having an electrolyte membrane excellent in strength, and It aims at providing the manufacturing method.
前記の目的を達成するために、本発明は、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質膜を介装した電解質・電極接合体であって、
前記電解質膜は、アスペクト比が10〜105である無担持チタニアナノチューブが0.01〜50質量%の割合で高分子膜に分散されたものであることを特徴とする。なお、無担持チタニアナノチューブとは、外壁及び内壁の双方に金属微粒子等が担持されていないチタニアナノチューブを意味する。
In order to achieve the above object, the present invention provides an electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte membrane is interposed between an anode side electrode and a cathode side electrode,
The electrolyte membrane is characterized in that unsupported titania nanotubes having an aspect ratio of 10 to 10 5 are dispersed in a polymer membrane at a ratio of 0.01 to 50% by mass. The unsupported titania nanotube means a titania nanotube in which metal fine particles or the like are not supported on both the outer wall and the inner wall.
本発明においては、電解質膜中に分散された無担持チタニアナノチューブの外壁及び内壁に水分が保持される。この水分がプロトン伝導の経路となるので、該電解質膜が優れたプロトン伝導度を示すものとなる。 In the present invention, moisture is retained on the outer and inner walls of the unsupported titania nanotubes dispersed in the electrolyte membrane. Since this moisture becomes a path for proton conduction, the electrolyte membrane exhibits excellent proton conductivity.
さらに、乾燥環境下においては、この保持された水分によって電解質膜が湿潤状態に保たれるので、乾燥環境下であっても、プロトン伝導度が低下することが抑制される。 Further, in the dry environment, the electrolyte membrane is kept in a wet state by the retained moisture, so that a decrease in proton conductivity is suppressed even in the dry environment.
しかも、チタニアは、固体高分子型燃料電池の一般的な運転温度である100℃以下において、湿潤環境下でも熱力学的に安定である。換言すれば、水分と反応して他の物質に変化することがないので、電解質膜が変質する懸念が払拭される。 Moreover, titania is thermodynamically stable even in a humid environment at a temperature of 100 ° C. or less, which is a general operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell. In other words, since it does not change into another substance by reacting with moisture, the concern that the electrolyte membrane is altered is eliminated.
その上、チタニアナノチューブが繊維形状であるので、繊維強化型プラスチックにおける繊維と同様にチタニアナノチューブがフィラーとして機能し、これにより電解質膜の引っ張り強度を向上させる。このため、強度に優れた電解質膜を構成することもできる。すなわち、耐久性に優れた電解質・電極接合体が構成可能となる。 In addition, since the titania nanotube has a fiber shape, the titania nanotube functions as a filler like the fiber in the fiber-reinforced plastic, thereby improving the tensile strength of the electrolyte membrane. For this reason, the electrolyte membrane excellent in intensity | strength can also be comprised. That is, an electrolyte / electrode assembly having excellent durability can be configured.
水分を保持する効果は、前記無担持チタニアナノチューブの外径が3〜105nmである場合に一層顕著となる。すなわち、電解質膜中に分散させる無担持チタニアナノチューブとしては、外径が3〜105nmであるものが好ましい。 The effect of retaining moisture becomes even more pronounced when the outer diameter of the unsupported titania nanotube is 3 to 10 5 nm. That is, as the unsupported titania nanotubes dispersed in the electrolyte membrane, those having an outer diameter of 3 to 10 5 nm are preferable.
また、本発明は、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質膜を介装して電解質・電極接合体を作製する電解質・電極接合体の製造方法であって、
前記電解質膜となる溶液に、アスペクト比が10〜105である無担持チタニアナノチューブを製膜後の割合が0.01〜50質量%となる割合で分散させる工程と、
前記無担持チタニアナノチューブが分散された前記溶液を用いて製膜を行い、電解質膜を設ける工程と、
前記電解質膜の各端面に、アノード側電極又はカソード側電極をそれぞれ設ける工程と、
を有することを特徴とする。
Further, the present invention is a method for producing an electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte membrane is prepared by interposing an electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode,
A step of dispersing unsupported titania nanotubes having an aspect ratio of 10 to 10 5 in the solution to be the electrolyte membrane at a ratio of 0.01 to 50% by mass after film formation;
Forming a film using the solution in which the unsupported titania nanotubes are dispersed, and providing an electrolyte membrane;
Providing each of the end surfaces of the electrolyte membrane with an anode side electrode or a cathode side electrode;
It is characterized by having.
一般的に、チタニアナノチューブを前記溶液に添加したのみでは、チタニアナノチューブは凝集ないし沈殿し、分散させることが容易ではない。そこで、例えば、超音波分散やビーズミル、又は遠心力を利用する分散等を行う。これによりチタニアナノチューブが前記溶液中に分散するので、この溶液から製膜を行うことでチタニアナノチューブが分散した電解質膜を容易に得ることができるようになる。 In general, simply adding titania nanotubes to the solution makes it difficult to aggregate or precipitate the titania nanotubes and disperse them. Therefore, for example, ultrasonic dispersion, bead mill, or dispersion using centrifugal force is performed. As a result, titania nanotubes are dispersed in the solution, and an electrolyte membrane in which titania nanotubes are dispersed can be easily obtained by forming a film from the solution.
しかも、本発明においては、チタニアナノチューブに金属微粒子等を保持させたり、チタニアナノチューブに対して表面処理を行ったりする必要が特にない。このため、電解質膜に不純物が混入することを回避することができ、従って、不純物の混入に起因してプロトン伝導度が低下することを回避することができる。 Moreover, in the present invention, it is not particularly necessary to hold the metal fine particles or the like on the titania nanotube or to perform surface treatment on the titania nanotube. For this reason, it can avoid that an impurity mixes in an electrolyte membrane, Therefore, it can avoid that a proton conductivity falls by mixing of an impurity.
なお、上記したように、無担持チタニアナノチューブとしては、外径が3〜105nmであるものを使用することが好ましい。 As described above, it is preferable to use unsupported titania nanotubes having an outer diameter of 3 to 10 5 nm.
ビーズミルを行う場合には、径が0.0001〜1mmであるビーズを用い、且つ周速を1〜50m/秒としてビーズミルを行うことが好ましい。これにより、チタニアナノチューブを折曲させたり破損させたりすることなく前記溶液中に分散させることができる。 When performing the bead mill, it is preferable to use beads having a diameter of 0.0001 to 1 mm and a peripheral speed of 1 to 50 m / sec. Thereby, the titania nanotube can be dispersed in the solution without bending or breaking.
本発明によれば、固体高分子膜中に所定のアスペクト比のチタニアナノチューブを所定の割合で分散させて電解質膜を構成するようにしている。このため、優れた保水能を長期間にわたって維持するとともに、優れたプロトン伝導度及び強度を示す電解質・電極接合体を構成することができる。 According to the present invention, an electrolyte membrane is configured by dispersing titania nanotubes having a predetermined aspect ratio in a solid polymer film at a predetermined ratio. For this reason, while maintaining the outstanding water retention ability over a long period of time, the electrolyte-electrode assembly which shows the outstanding proton conductivity and intensity | strength can be comprised.
しかも、チタニアナノチューブは、固体高分子型燃料電池の一般的な運転温度である100℃以下において、湿潤環境下でも熱力学的に安定である。従って、運転時に電解質膜が変質する懸念を払拭することもできる。 Moreover, titania nanotubes are thermodynamically stable even in a humid environment at a temperature of 100 ° C. or lower, which is a general operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, the concern that the electrolyte membrane may change during operation can be eliminated.
以下、本発明に係る電解質・電極接合体及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the electrolyte / electrode assembly and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施の形態に係る電解質・電極接合体10が組み込まれたスタック12の要部拡大断面図である。図1に示すように、このスタック12は、前記電解質・電極接合体10を具備する単位セル14が複数個積層されてなり、燃料電池を構成する。
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a
単位セル14は、貴金属触媒層とガス拡散層を具備するアノード側電極16及びカソード側電極18の間に電解質膜20を介装した電解質・電極接合体10を一対のセパレータ22、22で挟持することによって設けられる。セパレータ22の材質としては、カーボンやステンレス鋼、又はチタン合金等が選定されるのが一般的である。
The
各セパレータ22には、水素を含有する燃料ガスをアノード側電極16に供給するために、又は酸素を含有する酸化剤ガスをカソード側電極18に供給するために、互いに反対方向に指向して突出した第1凸部24と第2凸部26とが交互に連続した波状部28が設けられる。そして、第1凸部24及び第2凸部26には、それぞれ、水平頂面24a、26aが設けられる。
The
スタック12が構成された際、例えば、第1凸部24の水平頂面24aがアノード側電極16に接触するとともに、第2凸部26の水平頂面26aがカソード側電極18に接触する。そして、第1凸部24とカソード側電極18との間の酸化剤ガス流路30に酸化剤ガスが流通されるとともに、第2凸部26とアノード側電極16との間の燃料ガス流路32に燃料ガスが流通される。すなわち、波状部28は、電極16、18に反応ガスを供給するための供給通路として機能する。
When the
一方、電解質膜20は、固体高分子膜にチタニアナノチューブが分散されて構成されている。
On the other hand, the
固体高分子膜は、プロトンを伝導可能な物質であればよく、特に限定されるものではないが、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂やフッ化ビニリデン樹脂等のフッ素樹脂、又は、ポリスチレン樹脂やポリエチレン樹脂等の炭化水素樹脂が好適な例として挙げられる。 The solid polymer membrane is not particularly limited as long as it is a substance capable of conducting protons, but is not limited to fluoropolymers such as perfluorocarbon sulfonic acid resin and vinylidene fluoride resin, or polystyrene resin or polyethylene resin. A hydrocarbon resin is a preferred example.
チタニアナノチューブは、筒状ないし中空状の物質であり、内壁と外壁とを有する。本実施の形態において採用されるチタニアナノチューブは、内壁及び外壁の双方に金属微粒子等が担持されていない無担持のものである。これら内壁及び外壁には、後述するように、水分が保持される。 A titania nanotube is a cylindrical or hollow substance, and has an inner wall and an outer wall. The titania nanotube employed in the present embodiment is a non-supported one in which metal fine particles are not supported on both the inner wall and the outer wall. As will be described later, moisture is retained on the inner wall and the outer wall.
チタニアナノチューブは、外径が可及的に小さく、且つ可及的に長尺であること、換言すれば、アスペクト比が大きいことが好ましい。具体的には、このチタニアナノチューブの長さ/外径、すなわち、アスペクト比は10〜105に設定されている。アスペクト比が10未満のチタニアナノチューブでは、電解質膜20のプロトン伝導度が増加しない。また、電解質膜20の強度を確保する効果に乏しい。
The titania nanotubes preferably have an outer diameter as small as possible and as long as possible, in other words, a large aspect ratio. Specifically, the length / outer diameter of the titania nanotube, that is, the aspect ratio is set to 10 to 10 5 . In a titania nanotube having an aspect ratio of less than 10, the proton conductivity of the
なお、一般的なチタニアナノチューブのアスペクト比は、105以下である。従って、チタニアナノチューブの好適なアスペクト比は10〜105であり、50〜105であることがより好ましく、100〜105であることがさらに好ましい。 The aspect ratio of a general titania nanotube is 10 5 or less. Accordingly, the preferred aspect ratio of the titania nanotube is 10 to 10 5, more preferably from 50 to 10 5, more preferably from 100 to 10 5.
また、チタニアナノチューブの外径は、3〜105nmの範囲内であることが好ましい。3nm未満では、管状ないし中空状を保つことが容易ではなく、このために内壁に水分を保持する効果に乏しい。一方、105nmを超えると、プロトン伝導度が低下する傾向がある。外径は、3〜100nmであることがより好ましく、5〜20nmであることがさらに好ましい。 Moreover, it is preferable that the outer diameter of a titania nanotube exists in the range of 3-10 < 5 > nm. If it is less than 3 nm, it is not easy to maintain a tubular or hollow shape, and therefore, the effect of retaining moisture on the inner wall is poor. On the other hand, when it exceeds 10 5 nm, proton conductivity tends to decrease. The outer diameter is more preferably 3 to 100 nm, and further preferably 5 to 20 nm.
以上のように構成されたチタニアナノチューブが電解質膜20に占める割合は、該電解質膜20の質量を100とするとき、0.01〜50である。すなわち、チタニアナノチューブは、0.01〜50質量%の割合で電解質膜20に分散されている。0.01質量%未満であると、電解質膜20に十分な保持能が発現しない。また、50質量%を超えると、プロトン伝導に寄与する固体高分子膜が相対的に少なくなるので、十分なプロトン伝導度を確保することが困難となる。チタニアナノチューブの割合は、0.1〜30質量%であることがより好ましく、0.5〜10質量%であることがさらに好ましい。
The ratio of the titania nanotubes configured as described above to the
この電解質膜20を介装するアノード側電極16及びカソード側電極18としては、公知のものを設ければよい。
As the
このように構成された電解質・電極接合体10を具備する燃料電池を所定温度に上昇させて反応ガスを供給すると、発電が生じる。すなわち、酸化剤ガス流路30、燃料ガス流路32を介して酸化剤ガス、燃料ガスがそれぞれ供給され、アノード側電極16において燃料ガス中の水素が電離してプロトンが生じ、このプロトンが電解質膜20中をカソード側電極18に移動して、酸化剤ガス中の酸素、及び外部負荷を経由してカソード側電極18に到達した電子とともに水を生成する。生成した水は、水蒸気ないしは水滴の状態で反応ガスとともに外部に排出される。
When the fuel cell including the electrolyte /
ここで、電解質膜20中には、上記したようにチタニアナノチューブが分散されている。反応ガスの湿度を制御するために該反応ガスに同伴された水蒸気や、上記の反応に伴って生成した水蒸気は、チタニアナノチューブの外壁や内壁に金属微粒子等が担持されていないため、該外壁や該内壁に速やかに保持される。その結果、電解質膜20中に水分が保持される。
Here, titania nanotubes are dispersed in the
従って、本実施の形態によれば、反応ガスの湿度に依存することなく電解質膜20の湿潤状態を長時間にわたって維持することができる。また、このために反応ガスの湿度制御を厳密且つ迅速に行う必要がなくなるので、燃料電池の運転管理が容易となる。
Therefore, according to the present embodiment, the wet state of the
しかも、チタニアナノチューブの外壁や内壁に保持された水蒸気は、プロトン伝導の経路となる。周知のように、チタニアナノチューブは直線的な長尺物であり、このため、プロトンはチタニアナノチューブの延在方向に沿って直線的に移動する。このことから諒解されるように、チタニアナノチューブを分散させる本実施の形態においては、クラスタ構造等の折れ曲がり部分を有するチタニアを添加した場合に比してプロトンの移動が阻害され難いので、プロトン伝導度が向上する。 Moreover, the water vapor retained on the outer and inner walls of the titania nanotube serves as a proton conduction path. As is well known, titania nanotubes are linear elongated objects, and for this reason, protons move linearly along the extending direction of titania nanotubes. As can be seen from this, in the present embodiment in which titania nanotubes are dispersed, proton transfer is less likely to be inhibited compared to the case where titania having a bent portion such as a cluster structure is added. Will improve.
さらに、固体高分子膜を用いる燃料電池の一般的な運転条件である100℃以下において、チタニア(TiO2)ナノチューブは熱力学的に安定である。すなわち、TiO2から他の物質に変化する懸念がない。換言すれば、チタニアナノチューブが変質し、これに伴ってプロトン伝導度が変化する懸念を払拭することもできる。 Furthermore, titania (TiO 2 ) nanotubes are thermodynamically stable at 100 ° C. or lower, which is a general operating condition of a fuel cell using a solid polymer membrane. That is, there is no concern of changing from TiO 2 to other substances. In other words, it is possible to eliminate the concern that the titania nanotube is altered and the proton conductivity is changed accordingly.
その上、チタニアナノチューブが繊維形状であるので、電解質膜20が膨潤することが抑制される。すなわち、燃料電池の運転・運転停止に伴う含水量の変化によって電解質膜20が膨潤・収縮することが抑制されるので、体積変化に伴って発生する応力が著しく小さくなる。このため、電解質膜20が劣化することを回避することができる。また、繊維形状のチタニアナノチューブは、繊維強化型プラスチックにおける繊維と同様にフィラーとして機能し、これにより電解質膜の引っ張り強度を向上させる。従って、電解質膜20の強度も向上する。
In addition, since the titania nanotube has a fiber shape, swelling of the
以上のように、本実施の形態によれば、優れた保水能を長期間にわたって維持するとともに、優れたプロトン伝導度及び強度を示し、しかも、運転時に変質する懸念もない電解質・電極接合体10を構成することができる。
As described above, according to the present embodiment, the electrolyte /
次に、上記した電解質・電極接合体10の製造方法につき説明する。この製造方法は、電解質膜20となる溶液にチタニアナノチューブを分散させる第1工程と、前記溶液から製膜を行って電解質膜20を設ける第2工程と、電解質膜20の各端面にアノード側電極16又はカソード側電極18をそれぞれ設ける第3工程とを有する。
Next, a manufacturing method of the above-described electrolyte /
先ず、第1工程において、電解質膜20となる溶液、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の所定濃度溶液を調製する。この溶液に対し、チタニアナノチューブを分散させる。
First, in a 1st process, the solution used as the
なお、チタニアナノチューブとしては、上記したように、アスペクト比が10〜105の範囲内であり、且つ外壁及び内壁に金属微粒子等が担持されていないものが用いられ、第2工程によって設けられた電解質膜20中を占める割合が0.01〜50質量%となる割合で前記溶液に添加される。勿論、チタニアナノチューブは、その外径が3〜105nmの範囲内であるものが好ましい。
As described above, as the titania nanotube, those having an aspect ratio in the range of 10 to 10 5 and having no metal fine particles supported on the outer wall and the inner wall are used, and are provided by the second step. The
ここで、チタニアナノチューブを単に溶液に添加したのみでは、チタニアナノチューブは凝集ないし沈殿するため、溶液に分散させることは困難である。このため、本実施の形態においては、例えば、超音波分散又はビーズミルを行うことによって強制的に分散させる。又は、遠心力を用いて分散させるようにしてもよい。 Here, simply adding the titania nanotubes to the solution causes the titania nanotubes to aggregate or precipitate, making it difficult to disperse them in the solution. For this reason, in this embodiment, for example, ultrasonic dispersion or bead milling is performed to forcibly disperse. Or you may make it disperse | distribute using a centrifugal force.
ビーズミルを採用する場合、例えば、n−プロピルアルコールや水等の適切な溶媒と前記溶液との混合液にチタニアナノチューブを添加し、さらに、この混合液を、ZrO2ビーズ等を収容したベッセルに収容して、該ベッセルの中央部に設けた回転体(ピンロータ)を回転させる。 When adopting a bead mill, for example, titania nanotubes are added to a mixture of an appropriate solvent such as n-propyl alcohol or water and the above solution, and this mixture is further contained in a vessel containing ZrO 2 beads. Then, the rotating body (pin rotor) provided at the center of the vessel is rotated.
この場合、ビーズとしては、径が0.0001〜1mmであるものを用いることが好ましい。径が0.0001mm未満であるビーズでは、チタニアナノチューブを分散させることが容易ではない。また、径が1mmを超えるビーズを用いると、チタニアナノチューブに過度の応力が加わるようになるので、チタニアナノチューブが折曲したり、破損したりする懸念がある。 In this case, it is preferable to use beads having a diameter of 0.0001 to 1 mm. In beads having a diameter of less than 0.0001 mm, it is not easy to disperse titania nanotubes. In addition, when beads having a diameter exceeding 1 mm are used, excessive stress is applied to the titania nanotube, and there is a concern that the titania nanotube may be bent or damaged.
また、ピンロータの最外周の周速は、1〜50m/秒の範囲内に設定することが好ましい。1m/秒未満では、チタニアナノチューブを分散させることが容易ではない。一方、50m/秒を超える周速で回転させると、チタニアナノチューブが折曲したり、破損したりする懸念がある。 Moreover, it is preferable to set the peripheral speed of the outermost periphery of a pin rotor within the range of 1-50 m / sec. If it is less than 1 m / sec, it is not easy to disperse titania nanotubes. On the other hand, when rotating at a peripheral speed exceeding 50 m / sec, the titania nanotube may be bent or broken.
ビーズミルの継続時間は、チタニアナノチューブの量にもよるが、例えば、1〜360時間とすればよい。 The duration of the bead mill may be, for example, 1 to 360 hours, depending on the amount of titania nanotubes.
このようにしてチタニアナノチューブが分散した溶液を用い、次に、第2工程において、製膜を行う。すなわち、溶液を乾燥することで流動性を喪失させる。乾燥に際しては、ガラス転移点未満の温度で加熱を行うようにしてもよい。これにより、電解質膜20が得られる。
Using the solution in which the titania nanotubes are dispersed in this manner, a film is formed in the second step. That is, fluidity is lost by drying the solution. In drying, heating may be performed at a temperature lower than the glass transition point. Thereby, the
次に、第3工程において、電解質膜20の各端面にアノード側電極16又はカソード側電極18を設ける。例えば、各電極を構成する貴金属触媒層及びガス拡散層の双方をホットプレスによって電解質膜20の各端面に圧着させればよい。
Next, in the third step, the
以上により、固体高分子膜中にチタニアナノチューブが分散された電解質膜20を具備する電解質・電極接合体10が得られるに至る。
As described above, the electrolyte /
このように、本実施の形態に係る製造方法では、チタニアナノチューブに金属微粒子等を保持させることがなく、また、チタニアナノチューブに対して表面処理を行うこともない。このため、電解質膜20に不純物が混入することに起因してプロトン伝導度が低下することを回避することもできる。
Thus, in the manufacturing method according to the present embodiment, the titania nanotubes do not hold metal fine particles or the like, and the surface treatment is not performed on the titania nanotubes. For this reason, it is possible to avoid a decrease in proton conductivity due to impurities mixed into the
なお、上記した実施の形態では、固体高分子膜としてパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を例示して説明したが、その他の固体高分子膜であってもよいことはいうまでもない。 In the above-described embodiment, the perfluorocarbon sulfonic acid resin is exemplified as the solid polymer film. However, it goes without saying that other solid polymer films may be used.
濃度20%のナフィオン(商品名、デュポン社製のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂)溶液と、n−プロピルアルコールと、水とをベッセル内で混合して混合液とした。この混合液に対して、製膜後の割合が1質量%となるようにチタニアナノチューブを添加した。 A Nafion (trade name, perfluorocarbon sulfonic acid resin manufactured by DuPont) with a concentration of 20%, n-propyl alcohol, and water were mixed in a vessel to obtain a mixed solution. Titania nanotubes were added to the mixture so that the ratio after film formation was 1% by mass.
さらに、直径が1mm以下のZrO2ビーズをベッセルに入れ、該ベッセルを封止してピンロータを50m/秒の周速で300分程度回転させた。これにより、チタニアナノチューブが分散したナフィオン溶液が得られた。なお、このナフィオン溶液をポットの外部に循環させながらビーズミルを行うようにしてもよい。 Further, ZrO 2 beads having a diameter of 1 mm or less were put in a vessel, the vessel was sealed, and the pin rotor was rotated at a peripheral speed of 50 m / sec for about 300 minutes. Thereby, a Nafion solution in which titania nanotubes were dispersed was obtained. The bead mill may be performed while circulating the Nafion solution outside the pot.
次に、このナフィオン溶液の一部を秤量して容器に移し、乾燥した後に加熱処理を施した。加熱温度は、ガラス転移点未満とした。これによりナフィオン溶液の流動性が喪失し、チタニアナノチューブが分散したナフィオンからなる電解質膜が形成された。 Next, a part of this Nafion solution was weighed, transferred to a container, dried, and then heat-treated. The heating temperature was less than the glass transition point. As a result, the fluidity of the Nafion solution was lost, and an electrolyte membrane made of Nafion in which titania nanotubes were dispersed was formed.
その後、この電解質膜の各端面に、Ptを担持したカーボン(Pt担持量:約0.5mg/cm2)と、カーボンペーパーとを順次積層し、ホットプレスによって両者を各端面に圧着させることで、貴金属触媒層とガス拡散層とを有するアノード側電極、カソード側電極をそれぞれ設け、電解質・電極接合体とした。さらに、電解質・電極接合体を1対のセパレータで挟持して単位セルを設けた。これを実施例とする。 After that, carbon carrying Pt (Pt carrying amount: about 0.5 mg / cm 2 ) and carbon paper are sequentially laminated on each end face of the electrolyte membrane, and both are pressed against each end face by hot pressing. Then, an anode side electrode and a cathode side electrode each having a noble metal catalyst layer and a gas diffusion layer were provided to form an electrolyte / electrode assembly. Further, the unit cell was provided by sandwiching the electrolyte / electrode assembly with a pair of separators. This is an example.
この単位セルにつき、アノード側電極及びカソード側電極の双方に湿度100%の反応ガスを供給して発電試験を行った。なお、アノード側電極には水素ガスを供給する一方、カソード側電極には空気を供給し、水素ガスと空気の比率は、体積比で1.5:2とした。そして、発電試験が終了した後、水素ガス及び空気の双方を乾燥ガスに切り替え、体積比は上記と同じにして電流−電圧特性を調べた。乾燥ガスに切り替えて2時間経過後、3.5時間経過後の電流密度対電位の関係を、グラフにして図2に示す。 For this unit cell, a power generation test was performed by supplying a reaction gas having a humidity of 100% to both the anode side electrode and the cathode side electrode. In addition, while supplying hydrogen gas to an anode side electrode, air was supplied to the cathode side electrode, and the ratio of hydrogen gas and air was 1.5: 2 by volume ratio. Then, after the power generation test was completed, both hydrogen gas and air were switched to dry gas, and the current-voltage characteristics were examined with the same volume ratio as above. FIG. 2 is a graph showing the relationship between current density and potential after 2 hours have elapsed after switching to dry gas and after 3.5 hours have elapsed.
比較のため、チタニアナノチューブを混合液に添加しなかったことを除いては実施例に準拠してナフィオンからなる電解質膜を作製し、さらに、この電解質膜を具備する単位セルを作製した。これを比較例とする。 For comparison, an electrolyte membrane made of Nafion was produced according to the example except that titania nanotubes were not added to the mixed solution, and a unit cell including this electrolyte membrane was produced. This is a comparative example.
この単位セルについても、実施例と同様に、湿潤ガスを用いて発電試験を行った後、水素ガス及び空気を乾燥ガスに切り替えて電流−電圧特性を調べた。図2に、乾燥ガスに切り替えて2時間経過後、3.5時間経過後の電流密度対電位の関係を併せて示す。 For this unit cell, a power generation test was performed using a wet gas, and the current-voltage characteristics were examined by switching hydrogen gas and air to a dry gas, as in the example. FIG. 2 also shows the relationship between the current density and the potential after 3.5 hours have elapsed after switching to dry gas for 2 hours.
この図2から、電解質膜中にチタニアナノチューブを分散させることに伴い、長時間にわたって高い電位を示すようになることが明らかである。このことは、チタニアナノチューブによって電解質膜に優れた保水能が発現したことを意味する。 From FIG. 2, it is clear that a high potential is exhibited over a long period of time as the titania nanotube is dispersed in the electrolyte membrane. This means that the titania nanotubes exhibited an excellent water retention capability in the electrolyte membrane.
すなわち、チタニアナノチューブを電解質膜に分散させることで、乾燥環境下でも十分な発電特性を示す電解質・電極接合体を構成することができる。 That is, by dispersing titania nanotubes in the electrolyte membrane, an electrolyte / electrode assembly that exhibits sufficient power generation characteristics even in a dry environment can be configured.
10…電解質・電極接合体 12…スタック
14…単位セル 16…アノード側電極
18…カソード側電極 20…電解質膜
22…セパレータ 28…波状部
30…酸化剤ガス流路 32…燃料ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電解質膜は、アスペクト比が10〜105である無担持チタニアナノチューブが0.01〜50質量%の割合で高分子膜に分散され、
前記無担持チタニアナノチューブの内壁及び外壁に水分を保持するものであることを特徴とする電解質・電極接合体。 An electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte membrane is interposed between an anode side electrode and a cathode side electrode,
The electrolyte membrane is unsupported titania nanotube aspect ratio of 10 to 10 5 is dispersed in a polymer film in a proportion of 0.01 to 50 wt%,
An electrolyte / electrode assembly characterized by retaining moisture on the inner wall and outer wall of the unsupported titania nanotube .
前記電解質膜となる溶液に、アスペクト比が10〜105であり、その内壁及び外壁に水分を保持する無担持チタニアナノチューブを製膜後の割合が0.01〜50質量%となる割合で分散させる工程と、
前記無担持チタニアナノチューブが分散された前記溶液を用いて製膜を行い、電解質膜を設ける工程と、
前記電解質膜の各端面に、アノード側電極又はカソード側電極をそれぞれ設ける工程と、
を有することを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。 An electrolyte / electrode assembly manufacturing method for producing an electrolyte / electrode assembly by interposing an electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode,
To a solution serving as the electrolyte membrane, the ratio the aspect ratio Ri 10 to 10 5 der, the unsupported titania nanotubes that holds moisture on the inner wall and the outer wall proportion after film is 0.01 to 50 wt% And the step of dispersing in
Forming a film using the solution in which the unsupported titania nanotubes are dispersed, and providing an electrolyte membrane;
Providing each of the end surfaces of the electrolyte membrane with an anode side electrode or a cathode side electrode;
A method for producing an electrolyte / electrode assembly, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007235756A JP5144183B2 (en) | 2006-12-25 | 2007-09-11 | Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006348061 | 2006-12-25 | ||
| JP2006348061 | 2006-12-25 | ||
| JP2007235756A JP5144183B2 (en) | 2006-12-25 | 2007-09-11 | Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008181854A JP2008181854A (en) | 2008-08-07 |
| JP5144183B2 true JP5144183B2 (en) | 2013-02-13 |
Family
ID=39725573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007235756A Expired - Fee Related JP5144183B2 (en) | 2006-12-25 | 2007-09-11 | Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5144183B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5969300B2 (en) * | 2012-07-30 | 2016-08-17 | 日本パーミル株式会社 | Manufacturing method of UV shielding material |
| JP6084387B2 (en) * | 2012-07-30 | 2017-02-22 | 日本パーミル株式会社 | Coating material and manufacturing method thereof |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3375200B2 (en) * | 1993-06-18 | 2003-02-10 | 田中貴金属工業株式会社 | Polymer solid electrolyte composition |
| JP4525149B2 (en) * | 2003-04-15 | 2010-08-18 | 住友化学株式会社 | Titania nanotube and method for producing the same |
| JP2006012458A (en) * | 2004-06-22 | 2006-01-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell |
| JP2006089307A (en) * | 2004-09-21 | 2006-04-06 | Inax Corp | Method of producing titania nanotube |
-
2007
- 2007-09-11 JP JP2007235756A patent/JP5144183B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2008181854A (en) | 2008-08-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6792067B2 (en) | Membrane-electrode assembly, its manufacturing method, and the fuel cell containing it | |
| JP6929393B2 (en) | Membrane-electrode assembly, its manufacturing method and the fuel cell containing it | |
| US7008971B2 (en) | Composite polymer electrolytes for proton exchange membrane fuel cells | |
| US11862803B2 (en) | Radical scavenger, manufacturing method therefor, membrane-electrode assembly comprising same, and fuel cell comprising same | |
| KR101877753B1 (en) | Composite electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly including thereof, fuel cell including thereof, and manufacturing method thereof | |
| JP2004185863A (en) | Electrode for fuel cell and fuel cell using the same | |
| KR20170089486A (en) | The mixed catalysts composition for fuel cell electrode, the electrode of fuel cell and manufacturing method of the electrode | |
| EP2999038A1 (en) | Base material for gas diffusion electrode | |
| JP2009080967A (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
| CN100438173C (en) | The fuel cell | |
| JP2004185901A (en) | Electrode for fuel cell and fuel cell | |
| JP2009080968A (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
| CN101978536B (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
| JPWO2005104280A1 (en) | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell | |
| JP5144183B2 (en) | Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same | |
| EP4297134A1 (en) | Catalyst layer for fuel cell and manufacturing method therefor, membrane-electrode assembly and manufacturing method therefor, and fuel cell | |
| KR102873733B1 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell comprising plate-shhaped porous silica and fuel cell comprising same | |
| EP4418375A1 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell, comprising linear porous silica nanoparticles, and fuel cell comprising same | |
| KR20180036212A (en) | Method for manufacturing electrode, electrode manufactured by using the same, membrane-electrode assembly comprising the electrode, and fuel cell comprising the membrane-electrode assembly | |
| CN102171871B (en) | Manufacturing method and use of electrode for fuel cell | |
| KR102809105B1 (en) | Polymer electrolyte membrane for fuel cell comprising boron nitride nanotubes and fuel cell comprising same | |
| WO2005020362A1 (en) | Composite polymer electrolytes for proton exchange membrane fuel cells | |
| JP5094069B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and electronic device using the same | |
| JP2006155987A (en) | ELECTRODE FOR FUEL CELL, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND FUEL CELL USING THE SAME | |
| JP2002015746A (en) | Fuel cell and electrode member for fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091127 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120821 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120822 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121022 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121113 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121122 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151130 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5144183 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |