JP5835366B2 - Method for manufacturing fuel cell electrode, method for manufacturing electrode-electrolyte membrane laminate, method for manufacturing fuel cell, and method for manufacturing fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法、電極−電解質膜積層体、燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に、アニオン伝導性固体高分子電解質を用いた、燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法、電極−電解質膜積層体、燃料電池セル及び燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a method for producing an electrode for a fuel cell, an electrode-electrolyte membrane laminate, a fuel cell, and a fuel cell, and in particular, an electrode for a fuel cell using an anion conductive solid polymer electrolyte, The present invention relates to a method for manufacturing an electrode for a fuel cell, an electrode-electrolyte membrane laminate, a fuel cell, and a fuel cell.
近年、燃料電池が次世代エネルギーシステムのひとつとして有望視されている。燃料電池には,アルカリ形燃料電池,リン酸形燃料電池,固体高分子形燃料電池,固体酸化物形燃料電池,および溶融炭酸塩形燃料電池等の種類があるが、それぞれの目的に応じた特徴を有している。その中で、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池と比べ、低温で作動し、高出力密度であるという特長を有することから、家庭用、自動車用、或いは携帯用等、多様な用途で開発が進められている。 In recent years, fuel cells are promising as one of the next-generation energy systems. There are various types of fuel cells such as alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, solid oxide fuel cells, and molten carbonate fuel cells. It has characteristics. Among them, solid polymer fuel cells have the features of operating at a low temperature and high power density compared to other types of fuel cells, so there are various types such as home use, automobile use, and portable use. Development is underway for various applications.
従来、固体高分子形燃料電池は、電解質膜としてカチオン(プロトン)伝導性固体高分子電解質膜を用い、その両面に触媒層及び電極基材を積層したものをセパレータで挟んだ構造をしたカチオン伝導性固体高分子形燃料電池がよく知られている。電解質膜の両面に触媒層を配置したもの(即ち、触媒層/電解質膜/触媒層の層構成のもの)は触媒層−電解質膜積層体と呼ばれ、さらにその両面に電極基材を配置したもの(即ち、電極基材/触媒層/電解質膜/触媒層/電極基材の層構成のもの)は、電極−電解質膜積層体と称されている。 Conventionally, a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a cation (proton) conductive solid polymer electrolyte membrane is used as an electrolyte membrane, and a catalyst layer and an electrode substrate are laminated on both sides and sandwiched between separators. A polymer electrolyte fuel cell is well known. A catalyst layer disposed on both sides of an electrolyte membrane (that is, a catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer structure) is called a catalyst layer-electrolyte membrane laminate, and an electrode substrate is further disposed on both sides thereof. A thing (namely, the thing of the layer structure of an electrode base material / catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer / electrode base material) is called the electrode-electrolyte film | membrane laminated body.
電極−電解質膜積層体の電極の一方に燃料を、他方に酸化剤を供給すると、燃料(水素)を供給した電極(水素極)触媒上で水素がプロトンと電子に分かれる。このプロトンは電解質膜内を移動し、電子は外部回路を通り、酸化剤として空気(酸素)を供給した電極(酸素極)触媒上へ行き、そこで酸素、電子、プロトンが反応して水が生成される。これにより電流が流れ発電が行われる。 When fuel is supplied to one of the electrodes of the electrode-electrolyte membrane laminate and an oxidant is supplied to the other, hydrogen is separated into protons and electrons on the electrode (hydrogen electrode) catalyst supplied with fuel (hydrogen). These protons move through the electrolyte membrane, and the electrons pass through the external circuit and go to the electrode (oxygen electrode) catalyst supplied with air (oxygen) as an oxidant, where oxygen, electrons, and protons react to produce water. Is done. As a result, current flows and power generation is performed.
しかし、プロトン伝導性固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、触媒層に高価な白金を用いており工業的にはコストアップとなるため、市場への導入がなかなか進まないというのが現状である。 However, polymer electrolyte fuel cells using proton-conducting polymer electrolyte membranes use expensive platinum in the catalyst layer, which increases the cost of the industry, so it is difficult to introduce them into the market. is the current situation.
一方、最近では、低温作動、高効率、高出力密度、特には、触媒に高価な白金を使用しないという観点から、アルカリ形燃料電池が再び注目されている。中でも、固体高分子形燃料電池と同様に、水酸化物イオンをイオン伝導体とする電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体アルカリ形燃料電池に期待が寄せられている。例えば、アニオン(水酸化物イオン)伝導性固体高分子電解質膜としてフッ素系陰イオン交換膜を用いた燃料電池が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。 On the other hand, recently, alkaline fuel cells have attracted attention again from the viewpoint of low-temperature operation, high efficiency, high power density, and in particular, not using expensive platinum as a catalyst. In particular, as in the polymer electrolyte fuel cell, there is an expectation for a solid alkaline fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte using hydroxide ions as an ionic conductor. For example, a fuel cell using a fluorine-based anion exchange membrane as an anion (hydroxide ion) conductive solid polymer electrolyte membrane is disclosed (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、アルカリ形燃料電池用の電極においては、触媒形成用ペーストに含まれる触媒金属粒子とイオン伝導性電解質の分散により、触媒層形成用ペーストが低粘度化しやすいという問題があり、触媒層の形成時に形状を保てないという問題が生じる。また、電極端面においては、低粘度化した触媒層形成用ペーストの塗液ダレによる触媒層の剥離が生じるといった問題があった。一方で高粘度化した場合は、形状の維持は確保できるものの、触媒層の形成が困難であったり、触媒層のひび割れが生じやすいといった問題があった。 However, in an electrode for an alkaline fuel cell, there is a problem that the catalyst layer forming paste tends to have a low viscosity due to dispersion of the catalyst metal particles and the ion conductive electrolyte contained in the catalyst forming paste. Sometimes the problem is that the shape cannot be maintained. Further, the electrode end face has a problem in that the catalyst layer is peeled off due to the sagging of the paste for forming the catalyst layer with reduced viscosity. On the other hand, when the viscosity is increased, the shape can be maintained, but there are problems that formation of the catalyst layer is difficult and cracking of the catalyst layer is likely to occur.
このように、触媒層の特性及び形状を失うことなく、触媒層を形成するための技術が切望されているものの、未だ開発されるに至っていないのが現状である。 As described above, a technique for forming a catalyst layer without losing the characteristics and shape of the catalyst layer is desired, but it has not yet been developed.
本発明の目的は、電極に凹凸部を形成することで、触媒形成用ペーストが低粘度、もしくは高粘度でも、触媒層の形成時に形状確保に優れ、電極の剥離を抑制することができ、電極反応に優れる燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法、電極−電解質膜積層体、燃料電池セル及び燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to form an uneven portion on an electrode, so that even if the paste for forming a catalyst has a low viscosity or a high viscosity, it is excellent in securing a shape when forming a catalyst layer, and can suppress peeling of the electrode. An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode excellent in reaction, a method for producing a fuel cell electrode, an electrode-electrolyte membrane laminate, a fuel cell, and a fuel cell.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電極基材表面の周縁部にスぺーサ部材を形成する工程と、前記スぺーサ部材で囲まれる領域に触媒ペーストを塗布する工程と、前記触媒ペーストを乾燥した後、前記電極基材表面に常温で圧着して触媒層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法である。
また、請求項2に記載の発明は、アニオン伝導性固体高分子電解質膜をスペーサ部材と燃料電池用電極で挟持することにより電極−電解質膜積層体を製造する電極−電解質膜積層体の製造方法であって、前記燃料電池用電極の製造工程には、電極基材表面の周縁部に前記スぺーサ部材を形成する工程と、前記スぺーサ部材で囲まれる領域に触媒ペーストを塗布する工程と、前記触媒ペーストを乾燥した後、前記電極基材表面に圧着して触媒層を形成する工程と、が含まれることを特徴とする電極−電解質膜積層体の製造方法である。
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の電極−電解質膜積層体の製造方法により製造された電極−電解質膜積層体を一対のセパレータで挟持することにより燃料電池セルを製造することを特徴とする燃料電池セルの製造方法である。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池セルの製造方法により製造された燃料電池セルを複数個積層することにより燃料電池を製造することを特徴とする燃料電池の製造方法である。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a step of forming a spacer member at a peripheral portion of the electrode substrate surface, and a catalyst paste is applied to a region surrounded by the spacer member. A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising: a step; and a step of pressing the surface of the electrode base material at room temperature to form a catalyst layer after drying the catalyst paste.
The invention according to
The invention described in
According to a fourth aspect of the present invention, a fuel cell is manufactured by stacking a plurality of fuel cells manufactured by the method for manufacturing a fuel cell according to the third aspect. It is a manufacturing method.
また、請求項2に記載の発明は、前記中央部に前記スペーサ部材をさらに配置したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極である。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、前記スペーサ部材は、耐アルカリ性樹脂からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用電極である。
The invention according to
また、請求項4に記載の発明は、前記耐アルカリ性樹脂は、導電性物質を含有することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用電極である。
The invention according to claim 4 is the fuel cell electrode according to
また、請求項5に記載の発明は、前記電極基材は、金属多孔質体からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用電極である。
The invention according to
また、請求項6に記載の発明は、電極基材表面の周縁部にスぺーサ部材を形成する工程と、前記スぺーサ部材で囲まれる領域に触媒ペーストを塗布する工程と、前記触媒ペーストを乾燥した後、圧着して触媒層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法である。
The invention according to
また、請求項7に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用電極と、アニオン伝導性固体高分子電解質膜と、を備え、前記アニオン伝導性固体高分子電解質膜は、前記燃料電池用電極に挟持されたことを特徴とする電極−電解質膜積層体である。
The invention according to
また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の電極−電解質膜積層体と、一対のセパレータと、を備え、前記電極−電解質膜積層体は、前記セパレータに挟持されたことを特徴とする燃料電池セルである。
The invention according to claim 8 includes the electrode-electrolyte membrane laminate according to
また、請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の燃料電池セルを複数個積層したことを特徴とする燃料電池である。
The invention according to
本発明によれば、電極に凹凸部を形成することで、触媒形成用ペーストが低粘度、もしくは高粘度でも、触媒層の形成時に形状確保に優れ、電極の剥離を抑制することができ、電極反応に優れる燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法、電極−電解質膜積層体、燃料電池セル及び燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, by forming uneven portions on the electrode, even if the paste for forming the catalyst has a low viscosity or a high viscosity, it is excellent in securing the shape when forming the catalyst layer and can suppress the peeling of the electrode. A fuel cell electrode excellent in reaction, a method for producing a fuel cell electrode, an electrode-electrolyte membrane laminate, a fuel cell, and a fuel cell can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態による燃料電池用電極及びその製造方法、電極−電解質膜積層体、燃料電池セル及び燃料電池を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なり、また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることに留意すべきである。 Hereinafter, an electrode for a fuel cell, a manufacturing method thereof, an electrode-electrolyte membrane laminate, a fuel cell, and a fuel cell according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, differ from actual ones, and also include portions having different dimensional relationships and ratios between the drawings.
[第1の実施の形態]
(電極の構造)
本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池用電極11は、図1に示すように、電極基材1と、電極基材1表面の周縁部に中央部を囲うように配置したスペーサ部材2と、スペーサ部材2で囲まれる領域に配置した触媒層3と、を備える。
[First embodiment]
(Electrode structure)
As shown in FIG. 1, the fuel cell electrode 11 according to the first exemplary embodiment of the present invention includes an
(電極基材)
電極基材1は、電極の基体となるものであり、平面視において、例えば、略四角形状を有しており、厚みは、例えば、約100μm〜2mm程度であり、好ましくは、約300μm〜1mm程度、さらに好ましくは、約500〜800μm程度であるのがよい。なお、形状は、平面視において略四角形状に限定されるものでなく、多角形状、略円形状、略楕円形状等であってもよい。
(Electrode substrate)
The
電極基材1の材質としては、導電性を有し、多孔質なものであれば、特に限定はされない。好ましくは、液体燃料及び酸化剤ガスを後述する触媒層へ良好に拡散させるために、金属メッシュや金属発泡体等からなる多孔質金属体であるのがよい。金属体を用いることにより導電性が高まる。また、金属体に、例えば卑金属(base metal)を用いた場合は燃料電池反応に良好に寄与できることが知られている。特にアノード電極(燃料極側電極)側は、卑金属を用いない導電性多孔質基材と比べ、例えば、ニッケル等の卑金属の基材を用いた方が性能の良いことが実験からも確認されている。
The material of the
したがって、多孔質金属体に用いる金属としては、ニッケル,パラジウム等の卑金属,或いは銀,ステンレスチール等を用いることができ、好ましくは、ニッケルや銀を用いるのがよい。また、金属発泡体を用いた場合、気孔率は、例えば、約50〜99%程度であり、好ましくは、約80〜98%程度であるのがよい。 Therefore, as the metal used for the porous metal body, a base metal such as nickel or palladium, silver, stainless steel, or the like can be used, and nickel or silver is preferably used. Moreover, when a metal foam is used, the porosity is, for example, about 50 to 99%, and preferably about 80 to 98%.
電極11が、カソード電極(酸素極側電極)である場合、金属多孔質体の他に、導電性を有するカーボン系材料、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質体を用いることができる。この場合、厚さは、例えば、約100〜500μm程度であり、好ましくは、約150〜300μm程度であるのがよい。 When the electrode 11 is a cathode electrode (oxygen electrode side electrode), in addition to the metal porous body, a conductive carbon-based material, for example, a conductive porous body such as carbon paper or carbon cloth is used. it can. In this case, the thickness is, for example, about 100 to 500 μm, and preferably about 150 to 300 μm.
また、カソード電極では、後述するように、反応時に水が生じることから、電極11に撥水性を付与することが好ましい。撥水性を付与するには、例えば、多孔質体にフッ素樹脂とカーボンからなるMPL(Micro Porous Layer)層を形成する方法を用いることができる。この場合、MPL層の厚みは、例えば、約10〜200μm程度であり、好ましくは、約30〜100μm程度であるのがよい。 Further, in the cathode electrode, as described later, since water is generated during the reaction, it is preferable to impart water repellency to the electrode 11. In order to impart water repellency, for example, a method of forming an MPL (Micro Porous Layer) layer made of a fluororesin and carbon on the porous body can be used. In this case, the thickness of the MPL layer is, for example, about 10 to 200 μm, and preferably about 30 to 100 μm.
(スペーサ部材)
スペーサ部材2は、後述の触媒層3の形状を保持するためのものであり、平面視において、略四角形の枠状の形状を有しており、厚さは、例えば、約10〜500μm程度であり、好ましくは、約30〜300μm程度、さらに好ましくは、約50〜250μm程度である。なお、スペーサ部材2の形状は、平面視において略四角枠状の形状に限定されるものでなく、多角形枠状、略円形枠状、略楕円形枠状等であってもよい。好ましくは、電極基材1の形状に合わせたものであるのがよい。
(Spacer member)
The
スペーサ部材2の材質としては、特に限定はされないが、好ましくは、耐アルカリ性を有する樹脂であるのがよい。例えば、フェノール樹脂,アクリル樹脂,フッ素樹脂,エポキシ樹脂,ウレタン樹脂,ポリスチレン樹脂,ポリ塩化ビニル樹脂等を挙げることができる。
The material of the
強アルカリ耐性の観点から、ポリ塩化ビニル,ポリ塩化ビニリデン,ポリスチレン,スチレン−アクリロ二トリル共重合体,スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合体,高密度ポリエチレン,中密度ポリエチレン,低密度ポリエチレン,エチレン−酢酸ビニル共重合体,ポリプロピレン,ポリアセタール共重合体,メタクリル−スチレン共重合体,三フッ化塩化エチレン,四フッ化エチレン,四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体,四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体,四フッ化エチレン−エチレン共重合体,フッ化ビニリデン等であるのが好ましい。 From the viewpoint of strong alkali resistance, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, styrene-acrylonitrile copolymer, styrene-butadiene-acrylonitrile copolymer, high-density polyethylene, medium-density polyethylene, low-density polyethylene, ethylene-acetic acid Vinyl copolymer, polypropylene, polyacetal copolymer, methacryl-styrene copolymer, ethylene trifluoride chloride, tetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro Alkoxyethylene copolymers, tetrafluoroethylene-ethylene copolymers, vinylidene fluoride and the like are preferable.
中でも、さらに加工の観点から、ポリスチレン,スチレン−アクリロ二トリル共重合体,スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合体,高密度ポリエチレン,中密度ポリエチレン,低密度ポリエチレン,エチレン−酢酸ビニル共重合体,ポリプロピレン等がより好ましい。 Among them, from the viewpoint of further processing, polystyrene, styrene-acrylonitrile copolymer, styrene-butadiene-acrylonitrile copolymer, high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, polypropylene, etc. Is more preferable.
上述した耐アルカリ性樹脂は、導電性物質を含有することが好ましい。導電性物質として、カーボンブラック,カーボンナノワイヤー,カーボンナノチューブ等の炭素材を挙げることができる。 The alkali-resistant resin described above preferably contains a conductive substance. Examples of the conductive material include carbon materials such as carbon black, carbon nanowires, and carbon nanotubes.
(触媒層)
触媒層3は、触媒金属粒子、これを担持する担体、及びイオン伝導性電解質からなる。触媒層3の厚みは、上述したスペーサ部材2の厚さと同程度の厚みを有するのがよく、例えば、約10〜500μm程度であり、好ましくは、約30〜300μm程度、さらに好ましくは、約50〜250μm程度であるのがよい。
(Catalyst layer)
The
触媒層3の触媒重量としては、カソード電極側では、例えば、約0.5〜20mg/cm2程度であり、好ましくは、約1〜15mg/cm2程度であるのがよい。アノード電極側では、例えば、約5〜60mg/cm2程度であり、好ましくは、約10〜50mg/cm2程度であるのがよい。
The catalyst weight of the
触媒金属粒子は、平均粒径が、例えば、約0.05〜20nm程度であり、好ましくは、約0.1〜10nm程度、さらに好ましくは、約0.3〜5nm程度であるのがよい。 The catalyst metal particles have an average particle diameter of, for example, about 0.05 to 20 nm, preferably about 0.1 to 10 nm, and more preferably about 0.3 to 5 nm.
触媒金属粒子の材質としては、例えば、鉄,コバルト,ニッケル,パラジウム,銀,ルテニウム,イリジウム,モリブデン,マンガン,白金等の金属やこれらの金属化合物、又はこれらの金属の2つ以上の金属からなる合金等を挙げることができる。 Examples of the material of the catalytic metal particles include metals such as iron, cobalt, nickel, palladium, silver, ruthenium, iridium, molybdenum, manganese, and platinum, and metal compounds thereof, or two or more of these metals. An alloy etc. can be mentioned.
コストの面から、金属としては、特に、白金を除いた、鉄,コバルト,ニッケル,パラジウム,銀等であるのが好ましい。また、合金としては、鉄,コバルト,ニッケルを2つ以上組み合わせて合金化したものであるのが好ましい。このような合金としては、例えば、鉄−コバルト合金,コバルト−ニッケル合金,鉄−ニッケル合金等が挙げられる。また、これらをさらに複合化した鉄−コバルト−ニッケル合金を用いてもよい。これら合金の各金属の比率は、特に限定されるものではなく、適宜設定することができる。 From the viewpoint of cost, the metal is preferably iron, cobalt, nickel, palladium, silver or the like excluding platinum. The alloy is preferably an alloy formed by combining two or more of iron, cobalt, and nickel. Examples of such an alloy include an iron-cobalt alloy, a cobalt-nickel alloy, and an iron-nickel alloy. Further, an iron-cobalt-nickel alloy obtained by further compounding these may be used. The ratio of each metal of these alloys is not particularly limited and can be set as appropriate.
担体は、上述した触媒金属粒子を担持するためのものである。担体の平均粒径は、例えば、平均一次粒子として、約0.01〜1μm程度であり、好ましくは、約0.01〜0.2μm程度である。また、担体の比表面積は、特に限定はされないが、例えば、約10〜1500m2/g程度であり、好ましくは、約10〜500m2/g程度であるのがよい。 The support is for supporting the above-described catalyst metal particles. The average particle diameter of the carrier is, for example, about 0.01 to 1 μm, preferably about 0.01 to 0.2 μm, as average primary particles. The specific surface area of the carrier is not particularly limited, but is, for example, about 10 to 1500 m 2 / g, and preferably about 10 to 500 m 2 / g.
担体の材質としては、例えば、アルミナ,シリカ,炭素粉等を挙げることができる。好ましくは、導電性の点から炭素粉であるのがよい。 Examples of the material for the carrier include alumina, silica, and carbon powder. Preferably, carbon powder is preferable from the viewpoint of conductivity.
炭素粉としては、導電性を有する炭素粉であれば、特に限定はされない。好ましくは、耐蝕性及び導電性の高い材料、例えば、アセチレンブラック,ファーネスブラック,チャンネルブラック,ケッチェンブラック等のカーボンブラック,黒鉛,活性炭,カーボン繊維,カーボンナノチューブ,カーボンナノワイヤー等が挙げられる。また、これらの炭素質材料を単独又は2種以上用いてもよい。 As carbon powder, if it is carbon powder which has electroconductivity, it will not specifically limit. Preferably, materials having high corrosion resistance and conductivity, for example, carbon black such as acetylene black, furnace black, channel black and ketjen black, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanowire and the like can be mentioned. These carbonaceous materials may be used alone or in combination of two or more.
イオン伝導性電解質は、イオンとして水酸化物イオン(OH−)を伝導できるアニオン伝導性電解質であれば、特に限定はされない。例えば、炭化水素系電解質又はフッ素樹脂系電解質等を用いることができる。 The ion conductive electrolyte is not particularly limited as long as it is an anion conductive electrolyte capable of conducting hydroxide ions (OH − ) as ions. For example, a hydrocarbon-based electrolyte or a fluororesin-based electrolyte can be used.
炭化水素系電解質としては、例えば、芳香族ポリエーテルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸の共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られる電解質を挙げることができる。フッ素樹脂系電解質としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンポリマーの末端をジアミンで処理し、4級化したポリマー或いはポリクロロメチルスチレンの4級化物等のポリマーを挙げることができる。中でも、溶媒可溶性を有するものが好ましい。 Examples of the hydrocarbon electrolyte include an electrolyte obtained by aminating a chloromethylated product of a copolymer of aromatic polyether sulfonic acid and aromatic polythioether sulfonic acid. Examples of the fluororesin-based electrolyte include a polymer obtained by treating the terminal of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group with a diamine and quaternizing it, or a polymer such as quaternized polychloromethylstyrene. Especially, what has solvent solubility is preferable.
上述したイオン伝導性電解質は、後述する触媒層形成用ペーストを作製する際、アルコール、エーテル等の有機溶剤や有機溶剤と水との混合溶剤に、例えば、約1〜30質量%程度の濃度で分散させて用いる。 When the above-described ion conductive electrolyte is used to prepare a catalyst layer forming paste, which will be described later, in an organic solvent such as alcohol or ether, or a mixed solvent of an organic solvent and water, for example, at a concentration of about 1 to 30% by mass. Used in a dispersed manner.
(電極の製造方法)
本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池用電極の製造方法は、図2に示すように、電極基材1表面の周縁部にスぺーサ部材2を形成する工程と、スぺーサ部材2で囲まれる領域に触媒ペーストを塗布する工程と、触媒ペーストを乾燥した後、圧着して触媒層3を形成する工程とを備える。
(Method for manufacturing electrode)
As shown in FIG. 2, the method for manufacturing a fuel cell electrode according to the first embodiment of the present invention includes a step of forming a
以下に、製造工程を詳述する。
(a)まず、図2(a)に示すように、例えば、平面視で約10〜50mm角程度で、厚さが約100〜500μm程度の金属発泡体からなる電極基材1を準備する。次いで、スペーサ部材2を、耐アルカリ性樹脂をペースト状にしたものを塗布等により、電極基材1表面の周縁部に枠状に形成する。スペーサ部材2の枠の幅は、例えば、平面視で約2〜10mm程度、厚さは約50〜250μm程度である。なお、スペーサ部材2は、耐アルカリ性樹脂を溶融して、押し出して形成することも、或いは印刷等により形成することもできる。
Below, a manufacturing process is explained in full detail.
(A) First, as shown in FIG. 2A, for example, an
(b)次いで、平均粒径が、例えば、約0.3〜5nm程度の銀又はニッケルからなる触媒金属粒子、これを担持したカーボンブラック、及び炭化水素系イオン伝導性電解質からなる触媒層形成用ペースト(以下で、触媒ペーストと称する。)を作製する。 (B) Next, for forming a catalyst layer comprising a catalytic metal particle made of silver or nickel having an average particle diameter of, for example, about 0.3 to 5 nm, carbon black carrying the same, and a hydrocarbon ion conductive electrolyte. A paste (hereinafter referred to as catalyst paste) is prepared.
触媒ペースト中に含まれる触媒金属粒子とイオン伝導性電解質の割合は、乾燥後の質量比が、例えば、約3:1〜1:3程度となるように調整するのがよい。 The ratio of the catalyst metal particles and the ion conductive electrolyte contained in the catalyst paste is preferably adjusted so that the mass ratio after drying is, for example, about 3: 1 to 1: 3.
触媒ペースト中に、粘度調整用の溶剤を用いてもよい。粘度調整用の溶剤は、特に限定されるものでなく、広い範囲内で適宜選択することができる。例えば、各種アルコール類,各種エーテル類,各種ジアルキルスルホキシド類,水,又はこれらの混合物等が挙げられる。好ましくは、アルコール類を用いるのがよい。アルコール類としては、例えば、メタノール,エタノール,n−プロパノール,イソプロパノール,n−ブタノール,tert−ブタノール等の炭素数1〜4の一価アルコール,プロピレングリコール,ジエチレングリコール等の各種の多価アルコール等が挙げられる。 A solvent for adjusting the viscosity may be used in the catalyst paste. The solvent for adjusting the viscosity is not particularly limited, and can be appropriately selected within a wide range. Examples thereof include various alcohols, various ethers, various dialkyl sulfoxides, water, or a mixture thereof. Preferably, alcohols are used. Examples of alcohols include monohydric alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, and tert-butanol, and various polyhydric alcohols such as propylene glycol and diethylene glycol. It is done.
また、触媒ペーストに、フッ素樹脂をさらに加えてもよい。フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン,ポリフッ化ビニリデン,テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体,フッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン共重合体等が挙げられる。特に、結着性と撥水性の観点から、好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンを用いるのがよい。 Further, a fluororesin may be further added to the catalyst paste. Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and the like. In particular, polytetrafluoroethylene is preferably used from the viewpoints of binding properties and water repellency.
(c)次に、図2(b)に示すように、触媒ペーストを電極基材1上のスペーサ部材2に囲まれた領域に、例えば、約50〜250μm程度の厚さで塗布する。触媒ペーストの塗布方法としては、特に限定されるものではない。例えば、ナイフコーター,バーコーター,スプレー,ディップコーター,スピンコーター,ロールコーター,ダイコーター,カーテンコーター,スクリーン印刷,押出しコート等を適宜用いることができる。
(C) Next, as shown in FIG. 2 (b), the catalyst paste is applied to the region surrounded by the
(d)次に、触媒ペーストを乾燥して触媒層3を形成する。乾燥温度は、例えば、約40〜100℃程度であり、好ましくは、約60〜80℃程度であるのがよい。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、例えば、約5分〜2時間程度であり、好ましくは、約30分〜1時間程度であるのがよい。
(D) Next, the catalyst paste is dried to form the
(e)最後に、触媒層3をプレス装置等により電極基材1に圧着し、図1に示す燃料電池用電極11が完成する。
(E) Finally, the
このような燃料電池用電極11は、電極基材1表面の周縁部に配置された枠状のスペーサ部材2で囲まれる領域に触媒層3を形成するので、製造工程の効率がよくなる。また、所望の厚さの触媒層3を形成することができるので、電極の反応面積を良好に確保することができる。これにより、高性能な燃料電池用電極11が得られる。
Since the fuel cell electrode 11 forms the
また、触媒層3は、圧着により電極基材1に接合されるので、触媒層3と電極基材1の密着性が高まる。また、触媒層3は、スペーサ部材2により囲まれているので、触媒ペーストの粘度が低い場合、或いは粘度が高い場合でも触媒層3の形状が良好に維持される。これにより、長時間の使用においても触媒層3の剥落を防止することが可能となる。
Moreover, since the
本実施の形態に係る燃料電池用電極11及びその製造方法によれば、電極に凹凸部を形成することで、触媒形成用ペーストが低粘度、もしくは高粘度でも、触媒層の形成時に形状確保に優れ、電極の剥離を抑制することができ、電極反応に優れる。 According to the fuel cell electrode 11 and the method for manufacturing the same according to the present embodiment, by forming an uneven portion on the electrode, even when the catalyst forming paste has a low viscosity or a high viscosity, the shape is ensured when the catalyst layer is formed. Excellent, can suppress electrode peeling, and is excellent in electrode reaction.
[第2の実施の形態]
(電極)
本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池用電極12(A,B,C)は、図3に示すように、第1の実施の形態で示した図1と同様の燃料電池用電極11において、電極基材1表面の中央部にスペーサ部材5をさらに配置する。その他の構成は、第1の実施の形態と同様であるので説明は省略する。
[Second Embodiment]
(electrode)
The fuel cell electrode 12 (A, B, C) according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, is the same fuel cell electrode as in FIG. 1 shown in the first embodiment. 11, the
電極基材1表面の中央部に配置されるスペーサ部材5の形状は、特に限定はされないが、例えば、略四角柱や略三角柱等の柱状形状を挙げることができる。例えば、四角柱である場合、幅は約0.1〜2mm程度であり、高さは、少なくとも周縁部のスペーサ部材2の厚さと同じ程度かそれより低いことが好ましく、例えば、約10〜500μm程度であり、好ましくは、約30〜300μm程度、さらに好ましくは、約50〜250μm程度である。
Although the shape of the
このような柱状形状のスペーサ部材5は、例えば、図3(a)及び(b)に示すように、電極基材1上の中央部に少なくとも1つ、好ましくは、複数個が所定の間隔で互いに平行に形成されているのがよい。スペーサ部材5間の間隔は、適宜設定することができる。
For example, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the
スペーサ部材5は、図3(c)に示すように、格子状に形成してもよい。格子の幅、高さ及び間隔は、上述した柱状形状の場合と同程度に設定することができる。
The
また、スペーサ部材5は、図3(d)に示すように、ドット状に形成してもよい。各ドットの幅、高さ及び間隔は、上述した柱状形状の場合と同程度に設定することができる。
The
本実施の形態に係る燃料電池用電極の製造方法は、スペーサ部材5を形成する方法が第1の実施の形態における製造方法と異なる点であり、他は第1の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
The manufacturing method of the fuel cell electrode according to the present embodiment is different from the manufacturing method according to the first embodiment in the method of forming the
本実施の形態に係る燃料電池用電極の製造方法において、耐アルカリ性樹脂を溶融して、押し出して形成することにより、或いは印刷等の方法を用いて、スペーサ部材5を形成することにより、図3に示す燃料電池用電極12(A,B,C)を製造することができる。
In the method of manufacturing the fuel cell electrode according to the present embodiment, the
本実施の形態によれば、電極基材1表面の中央部にスペーサ部材5をさらに配置するので、触媒層3の反応面積が増大するとともに、触媒層3の形状が良好に維持され、電極基材1からの剥落を抑制することができる。
According to the present embodiment, since the
本実施の形態に係る燃料電池用電極12(A,B,C)及びその製造方法によれば、電極に凹凸部を形成することで、触媒形成用ペーストが低粘度、もしくは高粘度でも、触媒層の形成時に形状確保に優れ、電極の剥離を抑制することができ、電極反応に優れる。 According to the fuel cell electrode 12 (A, B, C) and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, even if the catalyst forming paste has a low viscosity or a high viscosity, the catalyst is formed by forming irregularities on the electrode. It is excellent in securing the shape when forming the layer, can suppress peeling of the electrode, and is excellent in electrode reaction.
[第3の実施の形態]
(電極−電解質膜積層体)
本発明の第3の実施の形態に係る電極−電解質膜積層体13は、図4に示すように、第1の実施の形態で示した図1と同様の燃料電池用電極(8,9)と、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10とを備える。アニオン伝導性固体高分子電解質膜10は、燃料電池用電極(8,9)に挟持されている。その他の構成は、第1の実施の形態と同様であるので説明は省略する。なお、燃料電池用電極(8,9)に、第2の実施の形態で示した図3と同様の燃料電池用電極12(A,B,C)を用いてもよいことはいうまでもない。
[Third embodiment]
(Electrode-electrolyte membrane laminate)
As shown in FIG. 4, the electrode-electrolyte membrane laminate 13 according to the third embodiment of the present invention has the same fuel cell electrodes (8, 9) as FIG. 1 shown in the first embodiment. And an anion conductive solid
カソード電極8は、電極基材1と、電極基材1表面の周縁部に中央部を囲うように配置したスペーサ部材2と、スペーサ部材2で囲まれる領域に配置した触媒層3とを備えている。同様に、アノード電極9は、電極基材4と、電極基材4表面の周縁部に中央部を囲うように配置したスペーサ部材7と、スペーサ部材7で囲まれる領域に配置した触媒層6とを備えている。
The cathode electrode 8 includes an
アニオン伝導性固体高分子電解質膜10は、カソード電極8で生成したアニオン(水酸化物イオン)をアノード電極9に伝導するためのものである。厚みは、例えば、約10〜300μm程度であり、好ましくは、約20〜200μm程度である。
The anion conductive solid
本実施の形態に係るアニオン伝導性固体高分子電解質膜10としては、炭化水素系及びフッ素樹脂系のいずれかのアニオン伝導性固体高分子電解質膜を用いることができる。高濃度のアルカリ水溶液を用いた場合は、耐高濃度アルカリ性のフッ素樹脂系固体高分子電解質膜を使用することが好ましい。低濃度もしくはアルカリ水溶液を用いない場合は、コスト面からも炭化水素系を用いることが好ましい。これらの選択は適用するシステムにより適宜最適化することができる。
As the anion conductive solid
上述したアルカリ水溶液において、高濃度とは、アルカリ水溶液の種類等によって適宜変更することができるが、本実施の形態では、約2モル/リットル程度以上をいい、低濃度とは、約2モル/リットル程度未満をいう。 In the alkaline aqueous solution described above, the high concentration can be appropriately changed depending on the type of the alkaline aqueous solution and the like, but in the present embodiment, it means about 2 mol / liter or more, and the low concentration is about 2 mol / liter. Less than about a liter.
本実施の形態に係る炭化水素系のアニオン伝導性固体高分子電解質膜10としては、例えば、旭化成(株)製のアシプレックス(登録商標)A−201,211,221等、トクヤマ(株)製のネオセプタ(登録商標)AM−1,AHA等を用いることができる。また、フッ素樹脂系のアニオン伝導性固体高分子電解質膜10としては、東ソー(株)製のトスフレックス(登録商標)IE−SF34等を用いることができる。
Examples of the hydrocarbon-based anion-conducting solid
本実施の形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法は、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10に電極(8,9)を形成する方法が第1の実施の形態における製造方法と異なる点であり、他は第1の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
The manufacturing method of the electrode-electrolyte membrane laminate according to the present embodiment is different from the manufacturing method according to the first embodiment in the method of forming the electrodes (8, 9) on the anion conductive solid
本実施の形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法において、図5(a)に示すように、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10の一方の主面にカソード電極8を形成する。次いで、図5(b)に示すように、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10の他方の主面にアノード電極9を形成した後、カソード電極8及びアノード電極9を、例えば、約50〜80℃程度の温度、及び約0.5〜2MPa程度の圧力にて熱プレスすることにより、図4に示す電極−電解質膜積層体13を製造することができる。
In the method for producing an electrode-electrolyte membrane laminate according to the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the cathode electrode 8 is formed on one main surface of the anion conductive solid
本実施の形態に係る電極−電解質膜積層体13によれば、電極に凹凸部を形成することで、触媒形成用ペーストが低粘度、もしくは高粘度でも、触媒層の形成時に形状確保に優れ、電極の剥離を抑制することができ、電極反応に優れる。 According to the electrode-electrolyte membrane laminate 13 according to the present embodiment, by forming an uneven portion on the electrode, even when the catalyst forming paste has a low viscosity or a high viscosity, it is excellent in securing the shape when forming the catalyst layer, The electrode peeling can be suppressed, and the electrode reaction is excellent.
[第4の実施の形態]
(燃料電池セル)
本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池セル20は、固体アルカリ形燃料電池セルであり、図6に示すように、第3の実施の形態で示した図4と同様の電極−電解質膜積層体13と、一対のセパレータ(21,22)とを備える。電極−電解質膜積層体13は、セパレータ(21,22)に挟持されている。その他の構成は、第3の実施の形態と同様であるので説明は省略する。なお、図6では、カソード電極8及びアノード電極9は触媒層(3,6)を省略して簡略に示してある。
[Fourth embodiment]
(Fuel battery cell)
The fuel cell 20 according to the fourth embodiment of the present invention is a solid alkaline fuel cell, and, as shown in FIG. 6, the same electrode-electrolyte as in FIG. 4 shown in the third embodiment. A film laminate 13 and a pair of separators (21, 22) are provided. The electrode-electrolyte membrane laminate 13 is sandwiched between separators (21, 22). Other configurations are the same as those of the third embodiment, and thus the description thereof is omitted. In FIG. 6, the cathode electrode 8 and the
セパレータ21は、酸化剤ガスをカソード電極8に供給するためのものであり、酸化剤ガスを流通するための酸化剤ガス流路23を有する。一方、セパレータ22は、燃料をアノード電極9に供給するためのものであり、燃料を流通するための燃料流路24を有する。
The separator 21 is for supplying an oxidant gas to the cathode electrode 8 and has an oxidant gas flow path 23 for circulating the oxidant gas. On the other hand, the separator 22 is for supplying fuel to the
セパレータ(21,22)の材質としては、液体及びガスバリア性を有し、導電性を有するものであれば、特に限定はされない。例えば、グラファイトや金属等を挙げることができる。 The material of the separator (21, 22) is not particularly limited as long as it has liquid and gas barrier properties and has conductivity. For example, graphite, a metal, etc. can be mentioned.
なお、セパレータ(21,22)は、後述するように、燃料電池セル20を複数個積層して構成した燃料電池に用いる場合、集電体としての機能を有することができる。 As will be described later, the separator (21, 22) can have a function as a current collector when used in a fuel cell in which a plurality of fuel cells 20 are stacked.
燃料としては、例えば、水素が挙げることができ、さらに、メタノール、エタノール、プロパノール等の1価アルコール;エチレングリコール、プロピレングリコール等の多価アルコール等のアルコール類,ジメチルエーテル等のエーテル類,ヒドラジン,水加ヒドラジン等のヒドラジン類,等を挙げることができる。これら例示した燃料を単独又は2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the fuel include hydrogen, monohydric alcohols such as methanol, ethanol and propanol; alcohols such as polyhydric alcohols such as ethylene glycol and propylene glycol; ethers such as dimethyl ether; hydrazine and water. And hydrazines such as hydrazine. You may use these illustrated fuel individually or in combination of 2 or more types.
燃料として、さらにアルカリ水溶液を添加することができる。アルカリ水溶液としては、例えば、KOH溶液、NaOH溶液等が挙げられる。これらアルカリ源と、例えば、上述したアルコールとを混合させることで電池を作動する燃料を調製する。 As the fuel, an alkaline aqueous solution can be further added. Examples of the alkaline aqueous solution include KOH solution and NaOH solution. A fuel for operating the battery is prepared by mixing these alkali sources with, for example, the alcohol described above.
本実施の形態に係る燃料電池セル20の製造方法は、セパレータ(21,22)を電極−電解質膜積層体13に形成する方法が第3の実施の形態における製造方法と異なる点であり、他は第3の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。 The manufacturing method of the fuel battery cell 20 according to the present embodiment is different from the manufacturing method according to the third embodiment in that the separator (21, 22) is formed on the electrode-electrolyte membrane laminate 13. Is the same as that of the third embodiment, and a duplicate description is omitted.
本実施の形態に係る燃料電池セル20の製造方法において、酸化剤ガス流路23が形成されたセパレータ21を酸化剤ガス流路23がカソード電極8側に接するように配置し、燃料流路24が形成されたセパレータ22を燃料流路24がアノード電極9側に接するように配置することにより、図6に示す燃料電池セル20を製造することができる。
In the method of manufacturing the fuel battery cell 20 according to the present embodiment, the separator 21 in which the oxidant gas flow path 23 is formed is disposed so that the oxidant gas flow path 23 is in contact with the cathode electrode 8 side, and the fuel flow path 24. The fuel cell 20 shown in FIG. 6 can be manufactured by disposing the separator 22 with the fuel channel 24 in contact with the
(動作原理)
本実施の形態に係る燃料電池セル20は、以下に示すようにして、発電させることができる。
(Operating principle)
The fuel cell 20 according to the present embodiment can generate power as described below.
まず、酸化剤ガス流路23を介して、カソード電極8側に酸素(O2)を供給し、燃料流路24を介して、アノード電極9側に燃料となる、例えば、エタノール(C2H5OH)水溶液を供給する。カソード電極8においては、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10を介して到達した水(H2O)と、外部回路(図示略)を介して到達した電子(e−)とが、カソード電極8の触媒層3の触媒により、供給した酸素と反応して水酸化物イオン(OH−)を生成し、式(1)の還元反応が進行する。
カソード電極:O2+2H2O+4e−→4OH− ・・・(1)
First, oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode electrode 8 side via the oxidant gas flow path 23, and becomes fuel to the
Cathode electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (1)
生成した水酸化物イオンは、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10を介してカソード電極8側からアノード電極9側へ移動する。そして、アノード電極9側においては、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10を通過した水酸化物イオンと燃料であるエタノールとが反応して電子を生成し、式(2)の酸化反応が進行する。
アノード電極:(1/3)C2H5OH+4OH−→(2/3)CO2+3H2O+4e−・・・(2)
The generated hydroxide ions move from the cathode electrode 8 side to the
Anode electrode: (1/3) C 2 H 5 OH + 4OH − → (2/3) CO 2 + 3H 2 O + 4e − (2)
生成した電子は、アノード電極9側から外部回路(図示略)を介してカソード電極8側に移動し、カソード電極8へ供給される。全体として、エタノールが酸素により酸化されて二酸化炭素と水が生成する式(3)の電池反応が進行し、発電が行われる。
電池反応:(1/3)C2H5OH+O2→(2/3)CO2+H2O ・・・(3)
The generated electrons move from the
Battery reaction: (1/3) C 2 H 5 OH + O 2 → (2/3) CO 2 + H 2 O (3)
アノード電極9側で発生した二酸化炭素は、残余のエタノール水溶液とともに外部に排出される。また、カソード電極8側に生じた水は、残余の酸素とともに水蒸気として外部に排出される。
Carbon dioxide generated on the
本実施の形態に係る燃料電池セル20には、アニオン伝導性固体高分子電解質膜10が設けられている。そのため、高い膜強度と有機燃料の透過(例えば、メタノールクロスオーバー)を抑制して高い発電効率を有する燃料電池セル20を得ることができる。
The fuel cell 20 according to the present embodiment is provided with the anion conductive solid
また、電極基材(1,4)表面の周縁部にスペーサ部材(2,7)を配置し、触媒層(3,6)をスペーサ部材(2,7)で囲まれる領域に配置するので、触媒層(3,6)の剥落を抑制することができる。これにより、信頼性が高く高効率な燃料電池セル20を得ることができる。 Further, since the spacer member (2, 7) is arranged on the peripheral portion of the surface of the electrode substrate (1, 4), and the catalyst layer (3, 6) is arranged in a region surrounded by the spacer member (2, 7), Stripping of the catalyst layers (3, 6) can be suppressed. Thereby, the fuel cell 20 with high reliability and high efficiency can be obtained.
本実施の形態に係る燃料電池セル20によれば、電極に凹凸部を形成することで、触媒形成用ペーストが低粘度、もしくは高粘度でも、触媒層の形成時に形状確保に優れ、電極の剥離を抑制することができ、電極反応に優れる。 According to the fuel battery cell 20 according to the present embodiment, by forming an uneven portion on the electrode, even if the catalyst forming paste has a low viscosity or a high viscosity, it is excellent in securing the shape when forming the catalyst layer, and the electrode is peeled off. Can be suppressed, and the electrode reaction is excellent.
[第5の実施の形態]
(燃料電池)
本発明の第5の実施の形態に係る燃料電池は、第4の実施の形態で示した図6と同様の燃料電池セル20が複数個積層されている。その他の構成は、第4の実施の形態と同様であるので説明は省略する。
[Fifth embodiment]
(Fuel cell)
In the fuel cell according to the fifth embodiment of the present invention, a plurality of fuel cells 20 similar to those in FIG. 6 shown in the fourth embodiment are stacked. The other configuration is the same as that of the fourth embodiment, and a description thereof will be omitted.
本実施の形態に係る燃料電池は、セパレータ(21,22)を介して燃料電池セル20を複数個積層して構成される。 The fuel cell according to the present embodiment is configured by stacking a plurality of fuel cells 20 via separators (21, 22).
本実施の形態に係る燃料電池の製造方法は、燃料電池セル20を複数個積層する方法が第4の実施の形態における製造方法と異なる点であり、他は第4の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。 The fuel cell manufacturing method according to the present embodiment is different from the manufacturing method according to the fourth embodiment in that a method of stacking a plurality of fuel cells 20 is the same as in the fourth embodiment. Because of this, duplicate explanation is omitted.
本実施の形態に係る燃料電池の製造方法において、例えば、隣接するセパレータ(21,22)同士の電気的極性が互いに異なるように燃料電池セル20を積層することにより、燃料電池を製造することができる。 In the method of manufacturing a fuel cell according to the present embodiment, for example, a fuel cell can be manufactured by stacking the fuel cells 20 so that the adjacent separators (21, 22) have different electrical polarities. it can.
本実施の形態に係る燃料電池によれば、電極に凹凸部を形成することで、触媒形成用ペーストが低粘度、もしくは高粘度でも、触媒層の形成時に形状確保に優れ、電極の剥離を抑制することができ、電極反応に優れる。 According to the fuel cell according to the present embodiment, by forming an uneven portion on the electrode, even when the catalyst forming paste has a low viscosity or a high viscosity, it is excellent in securing the shape when forming the catalyst layer and suppresses peeling of the electrode. It is excellent in electrode reaction.
[その他の実施の形態]
以上、上述した第1乃至第5の実施の形態によって本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した第1乃至第5の実施の形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上述した第1乃至第5の実施の形態を一部変更した変更形態について説明する。
[Other embodiments]
The present invention has been described in detail with the first to fifth embodiments described above. However, for those skilled in the art, the present invention is limited to the first to fifth embodiments described in this specification. Obviously it is not. The present invention can be implemented as modifications and changes without departing from the spirit and scope of the present invention defined by the description of the scope of claims. Therefore, the description of the present specification is for illustrative purposes and does not have any limiting meaning to the present invention. Hereinafter, modified embodiments in which the first to fifth embodiments described above are partially modified will be described.
例えば、構成する部材の厚み等の寸法や構成する材料を変更することは可能である。 For example, it is possible to change dimensions such as the thickness of the constituent members and the constituent materials.
上述した第3の実施の形態に係る電極−電解質膜積層体13において、電解質としてアニオン伝導性固体高分子電解質膜10を用いる説明をしたが、電解質がアルカリ性溶液、或いはアルカリ性溶液を含浸させた耐アルカリ性多孔質体である場合にも適用可能である。
In the electrode-electrolyte membrane laminate 13 according to the third embodiment described above, the anion conductive solid
以下において、本発明を実施例に基づいて更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更実施可能である。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to these examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[実施例1]
(触媒ペースト)
まず、芳香族ポリエーテルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸との共重合体のクロロメチル化合物をアミノ化することにより、1−メトキシエタンを溶剤とした、5質量%イオン(水酸化物イオン)伝導性電解質溶液100gを得た。
[Example 1]
(Catalyst paste)
First, a 5% by mass ion (hydroxide ion) using 1-methoxyethane as a solvent by amination of a chloromethyl compound of a copolymer of aromatic polyether sulfonic acid and aromatic polythioether sulfonic acid. 100 g of conductive electrolyte solution was obtained.
次いで、銀担持カーボン(Ag:40質量%、E−TEK社製)10gに、上記で得られた5質量%イオン伝導性電解質溶液10g、ポリテトラフルオロエチレン(60質量%分散液、アルドリッチ社製)5g、エタノール10gを配合し、分散機にて攪拌混合することにより、カソード電極8側触媒ペースト組成物を調製した。 Then, 10 g of silver-supporting carbon (Ag: 40% by mass, manufactured by E-TEK), 10 g of the 5% by mass ion conductive electrolyte solution obtained above, polytetrafluoroethylene (60% by mass dispersion, manufactured by Aldrich) ) 5 g and 10 g of ethanol were blended and stirred and mixed in a disperser to prepare a cathode electrode 8 side catalyst paste composition.
また、ニッケル担持カーボン(Ni:40質量%)10gに、上記で得られた5質量%イオン伝導性電解質溶液10g、ポリテトラフルオロエチレン(60質量%分散液、アルドリッチ社製)5g、エタノール10gを配合し、分散機にて攪拌混合することにより、アノード電極9側触媒ペースト組成物を調製した。
Further, 10 g of nickel-supporting carbon (Ni: 40% by mass), 10 g of the 5% by mass ion conductive electrolyte solution obtained above, 5 g of polytetrafluoroethylene (60% by mass dispersion, manufactured by Aldrich), and 10 g of ethanol. The
(電極)
次に、カソード電極8側の電極基材1として、23mm角の銀からなる金属発泡体(三菱マテリアル社製、厚さ500μm)を用いた。この金属発泡体表面の周縁部に、エポキシ樹脂(アデカ社製、アデカレジンEP−49)とカーボン粒子(Cabot社製、バルカンXC72)からなるペーストを、幅約1mm、高さ約200μmの四角形枠状にスクリーン印刷により塗布してスペーサ部材2を形成した。次いで、スペーサ部材2で囲まれる領域に、上記で調製したカソード電極8側触媒ペースト組成物を充填し、乾燥させた。乾燥後、プレス装置により室温で約1MPaにて30秒プレスして、カソード電極8を形成した。触媒の塗工量は5mg/cm2となるように調整した。
(electrode)
Next, as the
アノード電極9側の電極基材4として、23mm角のニッケルからなる金属発泡体(三菱マテリアル社製、厚さ500μm)を用いた。この金属発泡体表面の周縁部に、エポキシ樹脂(アデカ社製、アデカレジンEP−49)とカーボン粒子(Cabot社製、バルカンXC72)からなるペーストを、幅約1mm、高さ約200μmの四角形枠状にスクリーン印刷により塗布してスペーサ部材7を形成した。次いで、スペーサ部材7で囲まれる領域に、上記で調製したアノード電極9側触媒ペースト組成物を充填し、乾燥させた。乾燥後、プレス装置により室温で約1MPaにて30秒プレスしてアノード電極9を形成した。触媒の塗工量は20mg/cm2となるように調整した。
As the electrode substrate 4 on the
(電極−電解質膜積層体)
アニオン伝導性固体高分子電解質膜10としては、アシプレックスA−221(厚さ130〜190μm、旭化成社製)を用いた。アニオン伝導性固体高分子電解質膜10の両主面に、それぞれ上記で作製したカソード電極8及びアノード電極9を配置した後、熱プレスにて約60℃、約1MPaにて熱接合し、図4に示すような電極−電解質膜積層体13を作製した。
(Electrode-electrolyte membrane laminate)
As anion conductive solid
[実施例2]
電極基材(1,4)のそれぞれの表面に、スペーサ部材5を以下のように形成した以外は、実施例1と同様にして、電極−電解質膜積層体13を作製した。すなわち、スペーサ部材5は、電極基材(1,4)のそれぞれの表面に、幅約1mm、高さ約200μmの直方体形状を有するスペーサ部材5を、約2mm間隔でストライプ状に形成した。ここで、触媒の塗工量は、実施例1と同様にした。
[Example 2]
An electrode-electrolyte membrane laminate 13 was produced in the same manner as in Example 1 except that the
[実施例3]
カソード電極8の電極基材1を金属発泡体に代えてカーボンクロス(E−TEK社製、LT−1200W)を用いた以外は、実際例1と同様にして、電極−電解質膜積層体13を作製した。
[Example 3]
The electrode-electrolyte membrane laminate 13 was prepared in the same manner as in Example 1 except that carbon cloth (manufactured by E-TEK, LT-1200W) was used in place of the
[実施例4]
カソード電極8の電極基材1を金属発泡体に代えてカーボンクロス(E−TEK社製、LT−1200W)を用いた以外は、実際例2と同様にして、電極−電解質膜積層体13を作製した。
[Example 4]
The electrode-electrolyte membrane laminate 13 is formed in the same manner as in Example 2 except that carbon cloth (LT-1200W, manufactured by E-TEK Co.) is used instead of the
[比較例1]
電極基材(1,4)表面にスペーサ部材(2,5,7)を形成しない以外は、実施例1と同様にして、電極−電解質膜積層体13を作製した。
[Comparative Example 1]
An electrode-electrolyte membrane laminate 13 was produced in the same manner as in Example 1 except that the spacer member (2, 5, 7) was not formed on the surface of the electrode substrate (1, 4).
[比較例2]
電極基材(1,4)は、アノード電極9側及びカソード電極8側ともにスペーサ部材(2,5,7)を形成していないカーボンクロス(E−TEK社製、LT−1200W)を用いた以外は、実施例1と同様にして、電極−電解質膜積層体13を作製した。
[Comparative Example 2]
As the electrode base material (1, 4), carbon cloth (manufactured by E-TEK, LT-1200W) in which the spacer member (2, 5, 7) is not formed on both the
(性能評価)
実施例1〜4及び比較例1,2で得られた電極−電解質膜積層体13の両主面にそれぞれセパレータ(21,22)を配置して、図6に示すような燃料電池セル20を作製し、起電力及び最高出力密度を調べることにより、性能評価を行った。カソード電極8側セパレータ21の酸化剤ガス流路23には酸素ガス、アノード電極9側セパレータ22の燃料流路24にはエタノール水溶液を供給することにより、発電試験を行なった。
その結果、実施例1〜4は起電力及び最高出力密度ともに比較例1,2に比べ高い性能を示した。
(Performance evaluation)
Separators (21, 22) are respectively disposed on both main surfaces of the electrode-electrolyte membrane laminate 13 obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, and a fuel cell 20 as shown in FIG. Fabrication and performance evaluation were performed by examining electromotive force and maximum output density. A power generation test was performed by supplying an oxygen gas to the oxidant gas flow path 23 of the cathode electrode 8 side separator 21 and an ethanol aqueous solution to the fuel flow path 24 of the
As a result, Examples 1 to 4 showed higher performance than Comparative Examples 1 and 2 both in electromotive force and maximum output density.
1,4・・・電極基材
2,5,7・・・スペーサ部材
3,6・・・触媒層
8・・・カソード電極
9・・・アノード電極
10・・・アニオン伝導性固体高分子電解質膜
11,12A,12B,12C・・・電極
13・・・電極−電解質膜積層体
20・・・燃料電池セル
21,22・・・セパレータ
23・・・酸化剤ガス流路
24・・・燃料流路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記スぺーサ部材で囲まれる領域に触媒ペーストを塗布する工程と、
前記触媒ペーストを乾燥した後、前記電極基材表面に常温で圧着して触媒層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。 Forming a spacer member on the peripheral edge of the electrode substrate surface;
Applying a catalyst paste to a region surrounded by the spacer member;
After drying the catalyst paste, forming a catalyst layer by pressure bonding to the electrode substrate surface at room temperature ;
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
前記燃料電池用電極の製造工程には、 In the process of manufacturing the fuel cell electrode,
電極基材表面の周縁部に前記スぺーサ部材を形成する工程と、 Forming the spacer member on the peripheral edge of the electrode substrate surface;
前記スぺーサ部材で囲まれる領域に触媒ペーストを塗布する工程と、 Applying a catalyst paste to a region surrounded by the spacer member;
前記触媒ペーストを乾燥した後、前記電極基材表面に圧着して触媒層を形成する工程と、 After drying the catalyst paste, press-bonding to the electrode substrate surface to form a catalyst layer;
が含まれる Is included
ことを特徴とする電極−電解質膜積層体の製造方法。 A method for producing an electrode-electrolyte membrane laminate, comprising:
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