JP7757654B2 - Membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents
Membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assemblyInfo
- Publication number
- JP7757654B2 JP7757654B2 JP2021127641A JP2021127641A JP7757654B2 JP 7757654 B2 JP7757654 B2 JP 7757654B2 JP 2021127641 A JP2021127641 A JP 2021127641A JP 2021127641 A JP2021127641 A JP 2021127641A JP 7757654 B2 JP7757654 B2 JP 7757654B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polymer electrolyte
- electrode
- catalyst
- electrode assembly
- membrane
- 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.)
- Active
Links
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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
本発明は、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、および膜電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a method for manufacturing a membrane electrode assembly.
固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly)を備える。膜電極接合体は、燃料極、酸素極、および燃料極と酸素極とに挟まれた高分子電解質膜を備える。燃料極と酸素極とは、それぞれガス拡散層と電極触媒層とを備える。電極触媒層は、触媒物質、担体、および高分子電解質を含む。 A polymer electrolyte fuel cell comprises a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly comprises a fuel electrode, an oxygen electrode, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode. The fuel electrode and the oxygen electrode each comprise a gas diffusion layer and an electrode catalyst layer. The electrode catalyst layer contains a catalytic material, a support, and a polymer electrolyte.
燃料ガスに含まれる水素は、燃料極のガス拡散層から燃料極の電極触媒層に流れる。電極触媒層に流入した水素は、酸化によってプロトンと電子とを生成する。プロトンは、燃料極の高分子電解質、および高分子電解質膜を通じて、酸素極の電極触媒層に達する。電子は、燃料極の担体、および外部回路を通じて、酸素極の電極触媒層に達する。酸化剤ガスに含まれる酸素は、酸素極の電極触媒層でプロトンおよび電子と反応し、これによって水を生成する。 Hydrogen contained in the fuel gas flows from the gas diffusion layer of the fuel electrode to the electrode catalyst layer of the fuel electrode. The hydrogen that flows into the electrode catalyst layer is oxidized to produce protons and electrons. The protons pass through the polymer electrolyte of the fuel electrode and the polymer electrolyte membrane to reach the electrode catalyst layer of the oxygen electrode. The electrons pass through the support of the fuel electrode and an external circuit to reach the electrode catalyst layer of the oxygen electrode. The oxygen contained in the oxidizer gas reacts with the protons and electrons in the electrode catalyst layer of the oxygen electrode, thereby producing water.
電極反応に関わる物質は、電極触媒層の細孔のなかを流れる。例えば、燃料ガスは、燃料極の細孔を流れて燃料極の反応場に達する。プロトンを伝導させるための水は、燃料極の細孔を流れて高分子電解質膜に達する。酸化剤ガスは、酸素極の細孔を通じて酸素極の反応場に達する。酸素極で生成された水は、酸素極の細孔を通じて酸素極から排出される。 Substances involved in the electrode reaction flow through the pores of the electrode catalyst layer. For example, fuel gas flows through the pores of the fuel electrode and reaches the reaction site at the fuel electrode. Water, which conducts protons, flows through the pores of the fuel electrode and reaches the polymer electrolyte membrane. Oxidant gas reaches the reaction site at the oxygen electrode through the pores of the oxygen electrode. Water produced at the oxygen electrode is discharged from the oxygen electrode through the pores of the oxygen electrode.
電極触媒層における余剰水の滞留は、電池反応に関わる物質の移動を妨げる。細孔を通じた物質の円滑な輸送は、余剰水の滞留を抑えてフラッディング現象の発生を抑える(例えば、特許文献1~4を参照)。一方、高分子電解質膜の優れたプロトン伝導性は、高分子電解質膜に適度な含水率を要求する。含水率は、乾燥時の高分子電解質膜の重量に対する、要求される水の重量の比率である。電極触媒層とガス拡散層の間に介在する湿度調整フィルムは、低加湿条件において含水率の低下を抑えて高分子電解質膜のドライアップを抑える(例えば、特許文献5を参照)。電極触媒層と高分子電解質膜との間に介在する溝構造は、これもまた低加湿条件において含水率の低下を抑えて高分子電解質膜のドライアップを抑える(例えば、特許文献6を参照)。 The accumulation of excess water in the electrode catalyst layer hinders the movement of substances involved in the cell reaction. Smooth transport of substances through pores reduces the accumulation of excess water and prevents the occurrence of flooding (see, for example, Patent Documents 1 to 4). Meanwhile, excellent proton conductivity of a polymer electrolyte membrane requires the polymer electrolyte membrane to have an appropriate water content. The water content is the ratio of the required weight of water to the weight of the polymer electrolyte membrane when dry. A humidity adjustment film interposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer prevents a decrease in water content under low-humidity conditions and prevents the polymer electrolyte membrane from drying out (see, for example, Patent Document 5). A groove structure interposed between the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane also prevents a decrease in water content under low-humidity conditions and prevents the polymer electrolyte membrane from drying out (see, for example, Patent Document 6).
(i)余剰水の滞留を抑制することと、(ii)含水率の低下を抑制することとの間には、一方の作用を高めると他方の作用を低めるというトレードオフの関係が成立しやすい。湿度調整フィルムや溝構造以外の構成によって(i)余剰水の滞留抑制と(ii)含水率の低下の抑制との両立を図ることは、高い発電性能を有する固体高分子形燃料電池の利用条件をさらに拡張させて、固体高分子形燃料電池の普及を加速させ得る。 There is a trade-off between (i) preventing excess water retention and (ii) preventing a decrease in moisture content, where increasing one effect reduces the other. Achieving both (i) preventing excess water retention and (ii) preventing a decrease in moisture content using a structure other than a humidity adjustment film or groove structure could further expand the conditions for use of polymer electrolyte fuel cells, which have high power generation performance, and accelerate the widespread use of polymer electrolyte fuel cells.
上記課題を解決するための膜電極接合体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟持する一対の電極触媒層と、を備え、前記一対の電極触媒層の少なくとも一方は、触媒担持粒子と、高分子電解質と、平均繊維径が10nm以上300nm以下の繊維状物質と、を含み、前記繊維状物質の質量は、上記触媒担持粒子における担体の質量の0.02倍以上1.0倍以下であり、上記高分子電解質の質量は、上記触媒担持粒子における担体の質量の0.4倍以上1.0倍以下である。 A membrane electrode assembly that solves the above problem comprises a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, at least one of the pair of electrode catalyst layers containing catalyst-supported particles, a polymer electrolyte, and a fibrous material having an average fiber diameter of 10 nm or more and 300 nm or less, the mass of the fibrous material being 0.02 to 1.0 times the mass of the support in the catalyst-supported particles, and the mass of the polymer electrolyte being 0.4 to 1.0 times the mass of the support in the catalyst-supported particles.
上記課題を解決するための固体高分子形燃料電池は、燃料極セパレータと、酸素極セパレータと、前記燃料極セパレータと前記酸素極セパレータとの間に位置する燃料極拡散層と、前記燃料極拡散層と前記酸素極セパレータとの間に位置する酸素極拡散層と、前記燃料極拡散層と前記酸素極拡散層との間に位置する膜電極接合体と、を備える。そして、前記膜電極接合体が上述した膜電極接合体である。 A polymer electrolyte fuel cell that solves the above problems comprises a fuel electrode separator, an oxygen electrode separator, a fuel electrode diffusion layer located between the fuel electrode separator and the oxygen electrode separator, an oxygen electrode diffusion layer located between the fuel electrode diffusion layer and the oxygen electrode separator, and a membrane electrode assembly located between the fuel electrode diffusion layer and the oxygen electrode diffusion layer. The membrane electrode assembly is the membrane electrode assembly described above.
上記課題を解決するための膜電極接合体の製造方法は、触媒インクの塗布膜を乾燥することによって電極触媒層を形成すること、および、前記電極触媒層を高分子電解質膜に貼り付けること、を含む。前記触媒インクが、触媒物質と担体とを含む触媒担持粒子と、高分子電解質と、平均繊維径が10nm以上300nm以下である繊維状物質と、を含む。前記繊維状物質の質量が、前記担体の質量の0.02倍以上1.0倍以下であり、前記高分子電解質の質量が、前記担体の質量の0.4倍以上1.0倍以下である。 A method for manufacturing a membrane electrode assembly that solves the above problem includes forming an electrode catalyst layer by drying a coating of catalyst ink, and attaching the electrode catalyst layer to a polymer electrolyte membrane. The catalyst ink includes catalyst-supported particles containing a catalyst substance and a support, a polymer electrolyte, and a fibrous material having an average fiber diameter of 10 nm or more and 300 nm or less. The mass of the fibrous material is 0.02 to 1.0 times the mass of the support, and the mass of the polymer electrolyte is 0.4 to 1.0 times the mass of the support.
上記各構成によれば、高負荷運転条件における余剰水の排水向上と、低負荷運転条件における含水率の低下抑制との両立が可能となる。
上記膜電極接合体において、前記繊維状物質が、カーボンファイバーもしくはフッ素系高分子電解質繊維であり、前記触媒担持粒子が、白金担持炭素粒子であり、前記高分子電解質が、フッ素系高分子電解質であってもよい。
According to each of the above configurations, it is possible to improve the drainage of excess water under high load operating conditions and to suppress a decrease in the moisture content under low load operating conditions.
In the membrane electrode assembly, the fibrous material may be carbon fiber or fluorine-based polymer electrolyte fiber, the catalyst-supporting particles may be platinum-supporting carbon particles, and the polymer electrolyte may be a fluorine-based polymer electrolyte.
上記膜電極接合体において、水銀圧入法を用いて測定される前記電極触媒層の細孔径の分布におけるピークが、6nm以上15nm以下であってもよい。
上記各構成によれば、高負荷運転条件における余剰水の排水向上と、低負荷運転条件における含水率の低下抑制との両立が可能とすることの実効性を高めることが可能ともなる。
In the membrane electrode assembly, the electrode catalyst layer may have a pore size distribution whose peak is 6 nm or more and 15 nm or less, as measured by mercury intrusion porosimetry.
According to each of the above configurations, it is possible to enhance the effectiveness of achieving both improved drainage of excess water under high load operating conditions and suppression of a decrease in moisture content under low load operating conditions.
以下、膜電極接合体、および固体高分子形燃料電池の一実施形態を説明する。
[膜電極接合体の構成]
図1が示すように、膜電極接合体10は、高分子電解質膜11、燃料極触媒層12A、および酸素極触媒層12Cを備える。高分子電解質膜11は、燃料極触媒層12Aと酸素極触媒層12Cとに挟持されている。燃料極触媒層12Aは、高分子電解質膜11に接している。酸素極触媒層12Cは、高分子電解質膜11に接している。燃料極触媒層12Aと酸素極触媒層12Cとは、それぞれ電極触媒層12である。
An embodiment of the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell will be described below.
[Configuration of membrane electrode assembly]
1 , the membrane electrode assembly 10 includes a polymer electrolyte membrane 11, an anode catalyst layer 12A, and an oxygen electrode catalyst layer 12C. The polymer electrolyte membrane 11 is sandwiched between the anode catalyst layer 12A and the oxygen electrode catalyst layer 12C. The anode catalyst layer 12A is in contact with the polymer electrolyte membrane 11. The oxygen electrode catalyst layer 12C is in contact with the polymer electrolyte membrane 11. The anode catalyst layer 12A and the oxygen electrode catalyst layer 12C are each an electrode catalyst layer 12.
図2が示すように、電極触媒層12は、触媒担持粒子を備える。触媒担持粒子は、触媒粒子21と担体22とを備える。電極触媒層12は、さらに高分子電解質23と繊維状物質24とを備える。触媒担持粒子、高分子電解質23、および繊維状物質24は、電極触媒層12のなかで均一に混ざり合っている。触媒担持粒子、高分子電解質23、および繊維状物質24は、電極触媒層12のなかに細孔25を区切る。細孔25は、三次元の網目状に区切られる。 As shown in FIG. 2, the electrode catalyst layer 12 comprises catalyst-supported particles. The catalyst-supported particles comprise catalyst particles 21 and a support 22. The electrode catalyst layer 12 further comprises a polymer electrolyte 23 and a fibrous material 24. The catalyst-supported particles, polymer electrolyte 23, and fibrous material 24 are uniformly mixed within the electrode catalyst layer 12. The catalyst-supported particles, polymer electrolyte 23, and fibrous material 24 define pores 25 within the electrode catalyst layer 12. The pores 25 are defined in a three-dimensional network.
各電極触媒層12は、それぞれ下記[条件1]~[条件4]を満たす。なお、平均繊維径は、JIS R7607:2000に準拠した方法による測定値である。また、配合比R23(=W23/W22)は、質量W22に対する質量W23の比である。配合比R24(=W24/W22)は、質量W22に対する質量W24の比である。質量W22は、1つの電極触媒層12のなかの担体22の質量である。質量W23は、1つの電極触媒層12のなかの高分子電解質23の質量である。質量W24は、1つの電極触媒層12のなかの繊維状物質24の質量である。 Each electrode catalyst layer 12 satisfies the following [Condition 1] to [Condition 4]. The average fiber diameter is measured using a method in accordance with JIS R7607:2000. The compounding ratio R23 (= W23/W22) is the ratio of mass W23 to mass W22. The compounding ratio R24 (= W24/W22) is the ratio of mass W24 to mass W22. Mass W22 is the mass of the carrier 22 in one electrode catalyst layer 12. Mass W23 is the mass of the polymer electrolyte 23 in one electrode catalyst layer 12. Mass W24 is the mass of the fibrous material 24 in one electrode catalyst layer 12.
[条件1]繊維状物質24の平均繊維径が10nm以上300nm以下である。
[条件2]配合比R24が0.02以上1.0以下である。
[条件3]配合比R23が0.4以上1.0以下である。
[Condition 1] The average fiber diameter of the fibrous substance 24 is 10 nm or more and 300 nm or less.
[Condition 2] The compounding ratio R24 is 0.02 or more and 1.0 or less.
[Condition 3] The compounding ratio R23 is 0.4 or more and 1.0 or less.
触媒担持粒子の繋がりは、電子の伝導路を形成する。高分子電解質23の繋がりは、プロトンの伝導路を形成する。触媒担持粒子と高分子電解質との混ざり合いは、電極と電解質との界面を三次元の網目状に形成する。三次元の網目状に区切られた細孔25は、電極と電解質との界面にガスを行き渡らせる。 The connections between the catalyst-supported particles form electron conduction paths. The connections between the polymer electrolyte 23 form proton conduction paths. The mixture of the catalyst-supported particles and the polymer electrolyte forms a three-dimensional mesh at the interface between the electrode and the electrolyte. The pores 25 separated by the three-dimensional mesh allow gas to circulate at the interface between the electrode and the electrolyte.
10nm以上の平均繊維径を有した繊維状物質24の柔軟性は、細孔25の形成に適している。触媒担持粒子、高分子電解質23、および繊維状物質24を含む電極触媒層12は、インクの塗布によって形成される。300nm以下の平均繊維径を有した繊維状物質24は、インクへの分散に適している。繊維状物質24の柔軟性とインクにおける分散性との双方の向上が要求される場合、繊維状物質24の平均繊維径は、100nm以上250nm以下が好ましく、150nm以上200nm以下がより好ましい。 The flexibility of fibrous material 24 with an average fiber diameter of 10 nm or more makes it suitable for forming pores 25. The electrode catalyst layer 12, which includes catalyst-supported particles, polymer electrolyte 23, and fibrous material 24, is formed by applying ink. Fibrous material 24 with an average fiber diameter of 300 nm or less is suitable for dispersion in ink. When improvements in both the flexibility of the fibrous material 24 and its dispersibility in ink are required, the average fiber diameter of the fibrous material 24 is preferably 100 nm or more and 250 nm or less, and more preferably 150 nm or more and 200 nm or less.
繊維状物質24は、繊維状物質24の絡み合いによって、電極触媒層12の機械的な耐久性を高める。機械的な耐久性を高められた電極触媒層12は、例えばクラックの発生を抑える。 The fibrous material 24 increases the mechanical durability of the electrode catalyst layer 12 by intertwining with the fibrous material 24. An electrode catalyst layer 12 with increased mechanical durability reduces the occurrence of cracks, for example.
繊維状物質24によって区切られる細孔25は、繊維状物質24の絡まりによって広がりやすい。繊維状物質24の組成比を高めることによって細孔25を広げることは、高負荷運転を要求された場合に、余剰水の排出に貢献する。繊維状物質24の組成比を低めることによって細孔25の広がりを抑えることは、低負荷運転を要求された場合に、含水率の向上に貢献する。 The pores 25 separated by the fibrous material 24 tend to widen due to the entanglement of the fibrous material 24. Widening the pores 25 by increasing the composition ratio of the fibrous material 24 contributes to the discharge of excess water when high-load operation is required. Preventing the widening of the pores 25 by decreasing the composition ratio of the fibrous material 24 contributes to an improvement in the moisture content when low-load operation is required.
高分子電解質23と触媒担持粒子との粒界、および高分子電解質23と繊維状物質24との境界は、細孔25を形成する。ただし、高分子電解質23が区切る細孔25は、繊維状物質24が区切る細孔25と比べて小さく、また短くなりやすい。高分子電解質23の組成比を高めることによって細孔25を狭小化することは、低負荷運転を要求された場合に、含水率の向上に貢献する。高分子電解質23の組成比を低めることによって細孔25を広大化するとは、高負荷運転を要求された場合に、余剰水の排出に貢献する。 The grain boundaries between the polymer electrolyte 23 and the catalyst-supported particles, and the boundaries between the polymer electrolyte 23 and the fibrous material 24 form pores 25. However, the pores 25 bounded by the polymer electrolyte 23 tend to be smaller and shorter than the pores 25 bounded by the fibrous material 24. Narrowing the pores 25 by increasing the composition ratio of polymer electrolyte 23 contributes to improving the water content when low-load operation is required. Enlarging the pores 25 by decreasing the composition ratio of polymer electrolyte 23 contributes to the discharge of excess water when high-load operation is required.
高分子電解質23のイオン交換基は、水分子を保持し得る。高分子電解質23によって区切られる細孔25において、高分子電解質23のイオン交換容量を高めることは、含水率の向上に貢献する。高分子電解質23によって区切られる細孔25において、高分子電解質23のイオン交換容量を低めることは、余剰水の排出に貢献する。 The ion exchange groups of the polymer electrolyte 23 can hold water molecules. Increasing the ion exchange capacity of the polymer electrolyte 23 in the pores 25 defined by the polymer electrolyte 23 contributes to improving the water content. Increasing the ion exchange capacity of the polymer electrolyte 23 in the pores 25 defined by the polymer electrolyte 23 contributes to the discharge of excess water.
10nm以上の平均繊維径、1.0以下の配合比R24、1.0以下の配合比R23を満たす電極触媒層12の細孔25は、高負荷運転を要求された場合に、余剰水の排水性を向上する。余剰水の排水性向上について実効性を高めることが要求される場合、0.05以上1.0以下の配合比R24、0.8以下の配合比R23を備えることが好ましい。
0.4以上1.0以下の配合比R23を満たす電極触媒層12の細孔25は、低負荷運転を要求された場合に、含水率の低下を抑制する。含水率の低下抑制について実効性を高めることが要求される場合、配合比R23は、0.5以上0.8以下であることが好ましい。
The pores 25 of the electrode catalyst layer 12 having an average fiber diameter of 10 nm or more, a compounding ratio R24 of 1.0 or less, and a compounding ratio R23 of 1.0 or less improve the drainage of excess water when high-load operation is required. When it is required to increase the effectiveness of improving the drainage of excess water, it is preferable to have a compounding ratio R24 of 0.05 or more and 1.0 or less, and a compounding ratio R23 of 0.8 or less.
The pores 25 of the electrode catalyst layer 12 that satisfy the compounding ratio R23 of 0.4 or more and 1.0 or less suppress a decrease in the water content when low-load operation is required. When it is required to increase the effectiveness in suppressing a decrease in the water content, the compounding ratio R23 is preferably 0.5 or more and 0.8 or less.
含水率の低下の抑制をさらに要求される場合、水銀圧入法によって測定される細孔25の径分布である細孔径分布に観測されるピークは、6nm以上15nm以下の範囲内であることが好ましい。 If further suppression of the decrease in moisture content is required, it is preferable that the peak observed in the pore size distribution, which is the size distribution of pores 25 measured by mercury intrusion porosimetry, be in the range of 6 nm or more and 15 nm or less.
[固体高分子形燃料電池の構成]
膜電極接合体10を備える固体高分子形燃料電池30の構造を説明する。以下に説明する構造は、固体高分子形燃料電池30の構造における一例である。なお、図3は、固体高分子形燃料電池30が備える単一のセル構造を示す。固体高分子形燃料電池30は、単一のセル構造を備える構成でもよいし、複数のセル構造を互いに積層した構成でもよい。
[Configuration of polymer electrolyte fuel cell]
The structure of a polymer electrolyte fuel cell 30 including a membrane electrode assembly 10 will be described. The structure described below is one example of the structure of a polymer electrolyte fuel cell 30. Note that Fig. 3 shows a single cell structure included in the polymer electrolyte fuel cell 30. The polymer electrolyte fuel cell 30 may be configured to include a single cell structure, or may be configured to include a plurality of cell structures stacked together.
図2が示すように、固体高分子形燃料電池30は、膜電極接合体10、2つのガス拡散層、および、2つのセパレータを備える。2つのガス拡散層は、酸素極拡散層31Cおよび燃料極拡散層31Aである。2つのセパレータは、酸素極セパレータ32Cおよび燃料極セパレータ32Aである。 As shown in Figure 2, the polymer electrolyte fuel cell 30 comprises a membrane electrode assembly 10, two gas diffusion layers, and two separators. The two gas diffusion layers are an oxygen electrode diffusion layer 31C and a fuel electrode diffusion layer 31A. The two separators are an oxygen electrode separator 32C and a fuel electrode separator 32A.
酸素極拡散層31Cは、酸素極触媒層12Cに接している。酸素極触媒層12Cと酸素極拡散層31Cとが、酸素極30Cを形成している。燃料極拡散層31Aは、燃料極触媒層12Aに接している。燃料極触媒層12Aと燃料極拡散層31Aとが、燃料極30Aを形成している。 The oxygen electrode diffusion layer 31C is in contact with the oxygen electrode catalyst layer 12C. The oxygen electrode catalyst layer 12C and the oxygen electrode diffusion layer 31C form the oxygen electrode 30C. The anode diffusion layer 31A is in contact with the anode catalyst layer 12A. The anode catalyst layer 12A and the anode diffusion layer 31A form the anode 30A.
高分子電解質膜11のなかで酸素極触媒層12Cと接している面は、酸素極面である。高分子電解質膜11のなかで燃料極触媒層12Aと接している面は、燃料極面である。酸素極面のなかで酸素極触媒層12Cによって覆われていない部分は、酸素極外周部である。酸素極外周部には、酸素極ガスケット13Cが位置している。酸素極ガスケット13Cは、酸素極外周部からガスが漏れることを抑える。 The surface of the polymer electrolyte membrane 11 that is in contact with the oxygen electrode catalyst layer 12C is the oxygen electrode surface. The surface of the polymer electrolyte membrane 11 that is in contact with the fuel electrode catalyst layer 12A is the fuel electrode surface. The portion of the oxygen electrode surface that is not covered by the oxygen electrode catalyst layer 12C is the oxygen electrode periphery. An oxygen electrode gasket 13C is located on the oxygen electrode periphery. The oxygen electrode gasket 13C prevents gas from leaking from the oxygen electrode periphery.
燃料極面のなかで燃料極触媒層12Aによって覆われていない部分は、燃料極外周部である。燃料極外周部には、燃料極ガスケット13Aが位置している。燃料極ガスケット13Aは、燃料極外周部からガスが漏れることを抑える。 The portion of the anode surface that is not covered by the anode catalyst layer 12A is the outer periphery of the anode. The anode gasket 13A is located on the outer periphery of the anode. The anode gasket 13A prevents gas from leaking from the outer periphery of the anode.
膜電極接合体10、酸素極拡散層31C、および燃料極拡散層31Aは、1つの多層体を構成する。酸素極セパレータ32Cと燃料極セパレータ32Aとは、セル構造の厚さ方向において1つの多層体を挟む。酸素極セパレータ32Cと燃料極セパレータ32Aとは、それぞれ導電性を有し、かつ、低いガス透過性を有する。酸素極拡散層31Cと燃料極拡散層31Aとは、それぞれガス拡散性と導電性とを有する。 The membrane electrode assembly 10, oxygen electrode diffusion layer 31C, and fuel electrode diffusion layer 31A form a single multilayer body. The oxygen electrode separator 32C and fuel electrode separator 32A sandwich this single multilayer body in the thickness direction of the cell structure. The oxygen electrode separator 32C and fuel electrode separator 32A each have electrical conductivity and low gas permeability. The oxygen electrode diffusion layer 31C and fuel electrode diffusion layer 31A each have gas diffusivity and electrical conductivity.
酸素極セパレータ32Cは、酸素極拡散層31Cと対向する第1側面と、第1側面の反対側に位置する第2側面とを備える。酸素極セパレータ32Cの第1側面は、複数の溝であるガス流路32Cgを区切る。酸素極セパレータ32Cの第2側面は、複数の溝である冷却水流路32Cwを区切る。 The oxygen electrode separator 32C has a first side facing the oxygen electrode diffusion layer 31C and a second side located on the opposite side of the first side. The first side of the oxygen electrode separator 32C separates gas flow channels 32Cg, which are multiple grooves. The second side of the oxygen electrode separator 32C separates cooling water flow channels 32Cw, which are multiple grooves.
燃料極セパレータ32Aは、燃料極拡散層31Aと対向する第1側面と、第1側面の反対側に位置する第2側面とを備える。燃料極セパレータ32Aの第1側面は、複数の溝であるガス流路32Agを区切る。燃料極セパレータ32Aの第2側面は、複数の溝である冷却水流路32Awを区切る。 The fuel electrode separator 32A has a first side facing the fuel electrode diffusion layer 31A and a second side located on the opposite side of the first side. The first side of the fuel electrode separator 32A separates gas flow channels 32Ag, which are multiple grooves. The second side of the fuel electrode separator 32A separates cooling water flow channels 32Aw, which are multiple grooves.
燃料ガスに含まれる水素は、ガス流路32Agを通じて燃料極触媒層12Aに流れる。燃料極触媒層12Aに流入した水素は、酸化によってプロトンと電子とを生成する。プロトンは、燃料極触媒層12Aの高分子電解質23、および高分子電解質膜11を通じて酸素極触媒層12Cに達する。電子は、燃料極触媒層12Aの担体22、および外部回路を通じて、酸素極触媒層12Cに達する。酸化剤ガスに含まれる酸素は、酸素極触媒層12Cでプロトンおよび電子と反応し、これによって水を生成する。 Hydrogen contained in the fuel gas flows through gas flow path 32Ag to anode catalyst layer 12A. The hydrogen that flows into anode catalyst layer 12A is oxidized to generate protons and electrons. The protons reach anode catalyst layer 12C through the polymer electrolyte 23 of anode catalyst layer 12A and the polymer electrolyte membrane 11. The electrons reach anode catalyst layer 12C through the carrier 22 of anode catalyst layer 12A and an external circuit. The oxygen contained in the oxidizer gas reacts with the protons and electrons in anode catalyst layer 12C, thereby generating water.
[膜電極接合体の詳細構成]
高分子電解質膜11の一例は、フッ素系高分子電解質膜、あるいは炭化水素系高分子電解質膜である。フッ素系高分子電解質膜の一例は、Nafion((登録商標)デュポン(株)製)、Flemion((登録商標)旭硝子(株)製)、Aciplex((登録商標)旭化成(株)製)、およびGore-Select((登録商標)日本ゴア合同会社製)からなる群から選択される少なくとも一種である。炭化水素系高分子電解質膜の構成材料の一例は、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、およびスルホン化ポリフェニレンからなる群から選択される少なくとも一種である。
[Detailed configuration of membrane electrode assembly]
An example of the polymer electrolyte membrane 11 is a fluorine-based polymer electrolyte membrane or a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane. An example of the fluorine-based polymer electrolyte membrane is at least one selected from the group consisting of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Gore-Select (registered trademark, manufactured by Gore Japan LLC). An example of a constituent material of the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is at least one selected from the group consisting of sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene.
電極触媒層12と高分子電解質膜11との密着性を高めることを要求される場合、高分子電解質23の構成材料がフッ素系高分子電解質であれば、高分子電解質膜11の構成材料もまたフッ素系高分子電解質であることが好ましい。また、高分子電解質23の構成材料が炭化水素系高分子電解質であれば、高分子電解質膜11の構成材料もまた炭化水素系高分子電解質であることが好ましい。さらに、高分子電解質膜11の構成材料は、高分子電解質23の構成材料と同じであることが好ましい。 When increased adhesion between the electrode catalyst layer 12 and the polymer electrolyte membrane 11 is required, if the material constituting the polymer electrolyte 23 is a fluorine-based polymer electrolyte, it is preferable that the material constituting the polymer electrolyte membrane 11 is also a fluorine-based polymer electrolyte. Furthermore, if the material constituting the polymer electrolyte 23 is a hydrocarbon-based polymer electrolyte, it is preferable that the material constituting the polymer electrolyte membrane 11 is also a hydrocarbon-based polymer electrolyte. Furthermore, it is preferable that the material constituting the polymer electrolyte membrane 11 is the same as the material constituting the polymer electrolyte 23.
触媒粒子21は、粒子状である。触媒粒子21の活性の向上を要求される場合、触媒粒子21の平均粒径は、20nm以下であることが好ましく、5nm以下であることがより好ましい。触媒粒子21の活性の安定化を要求される場合、触媒粒子21の平均粒径は、0.5nm以上であることが好ましく、1nm以上であることがより好ましい。 The catalyst particles 21 are particulate. If improved activity of the catalyst particles 21 is required, the average particle size of the catalyst particles 21 is preferably 20 nm or less, and more preferably 5 nm or less. If stabilization of the activity of the catalyst particles 21 is required, the average particle size of the catalyst particles 21 is preferably 0.5 nm or more, and more preferably 1 nm or more.
触媒粒子21の構成材料は、白金族の金属、白金族以外の金属、これらの合金、これらの酸化物、および複酸化物である。白金族の金属は、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、および、オスミウムからなる群から選択される少なくとも一種である。白金族以外の金属は、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、および、アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種である。触媒粒子21の活性の向上を要求される場合、触媒粒子21の構成材料は、白金、あるいは白金合金であることが好ましい。 The constituent materials of the catalyst particles 21 are platinum group metals, metals other than the platinum group metals, their alloys, oxides, and double oxides. The platinum group metal is at least one selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium. The non-platinum group metal is at least one selected from the group consisting of iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. When improved activity of the catalyst particles 21 is required, the constituent material of the catalyst particles 21 is preferably platinum or a platinum alloy.
担体22は、導電性を有し、かつ触媒物質に浸食されない粒子である。担体22の一例は、炭素粒子である。電子の伝導路の拡張を要求される場合、担体22の粒径は、10nm以上であることが好ましい。電極触媒層12の抵抗値の低下を要求される場合、また触媒粒子21の担持量の増大を要求される場合、担体22の粒径は、1000nm以下であることが好ましく、100nm以下であることがより好ましい。 The carrier 22 is a particle that is conductive and not eroded by the catalyst material. An example of the carrier 22 is carbon particles. If an expansion of the electron conduction path is required, the particle size of the carrier 22 is preferably 10 nm or more. If a reduction in the resistance value of the electrode catalyst layer 12 is required, or if an increase in the amount of catalyst particles 21 supported is required, the particle size of the carrier 22 is preferably 1000 nm or less, and more preferably 100 nm or less.
担体22の構成材料の一例は、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、およびフラーレンからなる群から選択される少なくとも一種である。カーボンブラックは、アセチレンブラック、ファーネスブラック、および、ケッチェンブラックからなる群から選択される少なくとも一種である。 An example of the constituent material of the carrier 22 is at least one selected from the group consisting of carbon black, graphite, activated carbon, and fullerene. The carbon black is at least one selected from the group consisting of acetylene black, furnace black, and ketjen black.
なお、担体22は、疎水性被膜に覆われてもよい。疎水性被膜は、担体22に疎水性を付与すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスを透過するガス透過性を有する。ガス透過性の向上を要求される場合、疎水性被膜の厚さは、40nm以下であることが好ましい。余剰水の排出性の向上をさらに要求される場合、疎水性被膜の厚さは、2nm以上であることが好ましい。 The carrier 22 may be covered with a hydrophobic coating. The hydrophobic coating imparts hydrophobic properties to the carrier 22 and also provides gas permeability, allowing fuel gas and oxidant gas to pass through. If improved gas permeability is required, the thickness of the hydrophobic coating is preferably 40 nm or less. If improved drainage of excess water is also required, the thickness of the hydrophobic coating is preferably 2 nm or more.
疎水性被膜の構成材料の一例は、少なくとも一つの極性基を有するフッ素系化合物である。極性基の一例は、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、エステル基、エーテル基、カーボネート基、およびアミド基からなる群から選択される少なくとも一種である。極性基を有した疎水性被膜は、担体22の最表面に固定されやすい。フッ素系化合物における極性基以外の部分の一例は、フルオロアルキル骨格である。 One example of a material for forming the hydrophobic coating is a fluorine-based compound having at least one polar group. An example of the polar group is at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, an alkoxy group, a carboxyl group, an ester group, an ether group, a carbonate group, and an amide group. A hydrophobic coating having a polar group is easily fixed to the outermost surface of the support 22. An example of the portion other than the polar group in the fluorine-based compound is a fluoroalkyl skeleton.
高分子電解質23は、プロトン伝導性を有した高分子の電解質である。高分子電解質23は、例えば粒子状、あるいは複数の粒子が合一した形状を有する。高分子電解質23の一例は、フッ素系高分子電解質、あるいは炭化水素系高分子電解質である。フッ素系高分子電解質の一例は、Nafion((登録商標)デュポン(株)製)、Flemion((登録商標)旭硝子(株)製)、Aciplex((登録商標)旭化成(株)製)、Gore-Select((登録商標)日本ゴア合同会社製)からなる群から選択される少なくとも一種である。炭化水素系高分子電解質の一例は、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、およびスルホン化ポリフェニレンからなる群から選択される少なくとも一種である。 The polymer electrolyte 23 is a polymer electrolyte with proton conductivity. The polymer electrolyte 23 has, for example, a particulate shape or a shape formed by a combination of multiple particles. An example of the polymer electrolyte 23 is a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte. An example of a fluorine-based polymer electrolyte is at least one selected from the group consisting of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Gore-Select (registered trademark, manufactured by Gore Japan LLC). An example of a hydrocarbon-based polymer electrolyte is at least one selected from the group consisting of sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene.
繊維状物質24は、電子伝導性繊維、およびプロトン伝導性繊維の少なくとも1つである。電子伝導性繊維は、電子伝導性を有する炭素材料からなる繊維である。プロトン伝導性繊維は、プロトン伝導性を有する高分子電解質からなる繊維である。繊維状物質24は、電子伝導性繊維のみから構成されてもよいし、プロトン伝導性繊維のみから構成されてもよいし、電子伝導性繊維とプロトン伝導性繊維との両方から構成されてもよい。 The fibrous material 24 is at least one of an electron-conductive fiber and a proton-conductive fiber. An electron-conductive fiber is a fiber made of a carbon material with electron conductivity. A proton-conductive fiber is a fiber made of a polymer electrolyte with proton conductivity. The fibrous material 24 may be composed of only electron-conductive fibers, only proton-conductive fibers, or both electron-conductive fibers and proton-conductive fibers.
電子伝導性繊維の一例は、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、および、導電性高分子ナノファイバーである。電極触媒層12における導電性の向上、あるいはインクにおける分散性の向上を要求される場合、繊維状物質24は、カーボンナノファイバー、またはカーボンナノチューブであることが好ましい。 Examples of electronically conductive fibers include carbon fibers, carbon nanotubes, carbon nanohorns, and conductive polymer nanofibers. When improved conductivity in the electrode catalyst layer 12 or improved dispersibility in the ink is required, the fibrous material 24 is preferably carbon nanofiber or carbon nanotubes.
プロトン伝導性繊維の構成材料は、フッ素系高分子電解質、あるいは炭化水素系高分子電解質である。フッ素系高分子電解質の一例は、Nafion((登録商標)デュポン(株)製)、Flemion((登録商標)旭硝子(株)製)、Aciplex((登録商標)旭化成(株)製)、Gore-Select((登録商標)日本ゴア合同会社製)からなる群から選択される少なくとも一種である。炭化水素系高分子電解質の一例は、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、およびスルホン化ポリフェニレンから選択される少なくとも一種である。 The constituent material of the proton-conducting fiber is a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte. An example of a fluorine-based polymer electrolyte is at least one selected from the group consisting of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Gore-Select (registered trademark, manufactured by Gore Japan, LLC). An example of a hydrocarbon-based polymer electrolyte is at least one selected from the group consisting of sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene.
酸素極拡散層31Cと燃料極拡散層31Aとの構成材料は、それぞれカーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材からなる群から選択される少なくとも一種である。酸素極セパレータ32Cと燃料極セパレータ32Aとは、それぞれカーボンタイプでもよいし、金属タイプでもよい。なお、酸素極拡散層31Cと酸素極セパレータ32Cとは、一体であってもよい。燃料極拡散層31Aと燃料極セパレータ32Aとは、一体であってもよい。 The constituent materials of the oxygen electrode diffusion layer 31C and the fuel electrode diffusion layer 31A are each at least one selected from the group consisting of porous carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, and nonwoven fabric. The oxygen electrode separator 32C and the fuel electrode separator 32A may each be a carbon type or a metal type. The oxygen electrode diffusion layer 31C and the oxygen electrode separator 32C may be integrated. The fuel electrode diffusion layer 31A and the fuel electrode separator 32A may also be integrated.
[膜電極接合体の製造方法]
膜電極接合体の製造方法は、第1工程、第2工程、および第3工程を含む。第1工程は、触媒インクを製造する。触媒インクは、触媒粒子21、担体22、高分子電解質23、繊維状物質24、および溶媒を含む。第2工程は、触媒インクを基材に塗布した後に溶媒を蒸発させることによって、電極触媒層12を製造する。第3工程は、電極触媒層12を高分子電解質膜11に貼り付けることによって、膜電極接合体10を製造する。
[Membrane Electrode Assembly Manufacturing Method]
The method for manufacturing a membrane electrode assembly includes a first step, a second step, and a third step. In the first step, a catalyst ink is manufactured. The catalyst ink includes catalyst particles 21, a support 22, a polymer electrolyte 23, a fibrous material 24, and a solvent. In the second step, the catalyst ink is applied to a substrate and then the solvent is evaporated to manufacture an electrode catalyst layer 12. In the third step, the electrode catalyst layer 12 is attached to a polymer electrolyte membrane 11 to manufacture a membrane electrode assembly 10.
触媒インクを構成する溶媒は、触媒担持粒子、高分子電解質23、および繊維状物質24を浸食せず、かつ高分子電解質23を溶解、あるいは微細ゲルとして分散する。触媒インクを構成する溶媒の一例は、アルコール類、ケトン系溶剤、エーテル系溶剤、極性溶剤からなる群から選択される少なくとも一種である。アルコール類の一例は、メタノール、エタノール、1‐プロパノール、2‐プロパノール、1‐ブタノール、2‐ブタノール、イソブチルアルコール、tert‐ブチルアルコール、ペンタノールからなる群から選択される少なくとも一種である。ケトン系溶剤の一例、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンからなる群から選択される少なくとも一種である。エーテル系溶剤の一例は、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルからなる群から選択される少なくとも一種である。極性溶剤の一例は、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N‐メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1‐メトキシ‐2‐プロパノールからなる群から選択される少なくとも一種である。触媒インクを構成する溶媒は、高分子電解質23と高い親和性を有する水を含有してもよい。 The solvent that constitutes the catalyst ink does not corrode the catalyst-supported particles, polymer electrolyte 23, or fibrous material 24, and dissolves the polymer electrolyte 23 or disperses it as a fine gel. An example of a solvent that constitutes the catalyst ink is at least one selected from the group consisting of alcohols, ketone-based solvents, ether-based solvents, and polar solvents. An example of an alcohol is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, and pentanol. An example of a ketone-based solvent is at least one selected from the group consisting of acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, and diisobutyl ketone. An example of an ether-based solvent is at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, and dibutyl ether. An example of the polar solvent is at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, and 1-methoxy-2-propanol. The solvent constituting the catalyst ink may also contain water, which has a high affinity for the polymer electrolyte 23.
触媒担持粒子の分散性の向上を要求される場合、触媒インクは分散剤を含有することが好ましい。分散剤の一例は、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤である。触媒インクにおける分散性の向上を要求される場合、触媒インクの製造において分散処理を行うことが好ましい。分散処理の一例は、ボールミルおよびロールミルによる攪拌、せん断ミルによる攪拌、湿式ミルによる攪拌、超音波の印加による攪拌、ホモジナイザーによる攪拌である。 If improved dispersibility of catalyst-supported particles is required, the catalyst ink preferably contains a dispersant. Examples of dispersants include anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants. If improved dispersibility of the catalyst ink is required, it is preferable to perform a dispersion treatment during the production of the catalyst ink. Examples of dispersion treatments include stirring using a ball mill or roll mill, stirring using a shear mill, stirring using a wet mill, stirring by applying ultrasonic waves, and stirring using a homogenizer.
電極触媒層12の表面におけるクラックの発生抑制を要求される場合、触媒インクにおける固形分含有量は、50質量%以下であることが好ましい。電極触媒層12の成膜レートの向上を要求される場合、触媒インクにおける固形分含有量は、1質量%以上であることが好ましい。 If it is required to suppress the occurrence of cracks on the surface of the electrode catalyst layer 12, the solid content of the catalyst ink is preferably 50% by mass or less. If it is required to improve the film formation rate of the electrode catalyst layer 12, the solid content of the catalyst ink is preferably 1% by mass or more.
触媒インクを基材上に塗布する方法の一例は、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、あるいはロールコーティング法である。触媒インクを塗布される基材は、転写シートである。転写シートの構成材料の一例は、フッ素系樹脂、あるいはフッ素系樹脂以外の有機高分子化合物である。フッ素系樹脂の一例は、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、あるいはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。有機高分子化合物の一例は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートである。 Examples of methods for applying the catalyst ink to a substrate include the doctor blade method, dipping method, screen printing method, and roll coating method. The substrate to which the catalyst ink is applied is a transfer sheet. Examples of materials constituting the transfer sheet include fluororesin and organic polymer compounds other than fluororesin. Examples of fluororesin include ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Examples of organic polymer compounds include polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, and polyethylene naphthalate.
<実施例1>
〔触媒インクの製造〕
以下に示す触媒担持粒子、高分子電解質23、および繊維状物質24を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、触媒インクを作製した。触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールとの混合溶媒を用いた。超純水と1-プロパノールとの体積比は、1:1とした。触媒インクにおける固形分含有量が8質量%になるように触媒インクを調整した。
Example 1
[Production of catalyst ink]
The catalyst-supported particles, polymer electrolyte 23, and fibrous material 24 shown below were mixed in a solvent and dispersed for 30 minutes using a planetary ball mill to prepare a catalyst ink. The solvent used for the catalyst ink was a mixed solvent of ultrapure water and 1-propanol. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1:1. The catalyst ink was adjusted so that the solid content in the catalyst ink was 8% by mass.
・触媒担持粒子 :白金担持炭素粒子(TEC10E50E、田中貴金属工業(株)製)
・繊維状物質24 :カーボンファイバー
・繊維状物質24の平均繊維径 :150nm
・配合比R24 :0.05
・高分子電解質23 :フッ素系高分子電解質(Nafion(登録商標)分散液、和光純薬工業(株)製)
・配合比R23 :0.5
Catalyst-supported particles: platinum-supported carbon particles (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.)
Fibrous material 24: carbon fiber Average fiber diameter of fibrous material 24: 150 nm
・Mixing ratio R24: 0.05
Polymer electrolyte 23: Fluorine-based polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・Mixing ratio R23: 0.5
〔電極触媒層の製造〕
触媒インクの塗布される基材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。ドクターブレード法を用いて基材に触媒インクを塗布し、80℃の大気雰囲気のなかで塗布膜を乾燥させ、これによって電極触媒層12を製造した。
この際、白金の担持量が0.1mg/cm2であるように、触媒インクの塗布量を調整し、これによって燃料極触媒層12Aを製造した。また、白金の担持量が0.3mg/cm2であるように、触媒インクの塗布量を調整し、これによって酸素極触媒層12Cを製造した。
[Production of Electrode Catalyst Layer]
A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used as the substrate to which the catalyst ink was applied. The catalyst ink was applied to the substrate using a doctor blade method, and the applied film was dried in an air atmosphere at 80°C, thereby producing an electrode catalyst layer 12.
The amount of catalyst ink applied was adjusted so that the amount of platinum supported was 0.1 mg/ cm2 , thereby producing anode catalyst layer 12A. The amount of catalyst ink applied was adjusted so that the amount of platinum supported was 0.3 mg/cm2, thereby producing cathode catalyst layer 12C.
〔膜電極接合体の作製〕
基材のうえに形成された酸素極触媒層12Cの一部を基材と共に打ち抜き、打ち抜かれた酸素極触媒層12Cを、以下に示す高分子電解質膜11の酸素極面に配置した。また、基材のうえに形成された燃料極触媒層12Aの一部を基材と共に打ち抜き、打ち抜かれた燃料極触媒層12Aを、以下に示す高分子電解質膜11の燃料極面に配置した。この際、基材と共に打ち抜かれる電極触媒層12の大きさを5cm×5cmとした。
・高分子電解質膜11 :フッ素系高分子電解質(Nafion(登録商標)211、デュポン(株)製)
・高分子電解質膜11の厚さ:25μm
[Fabrication of Membrane Electrode Assembly]
A portion of the oxygen electrode catalyst layer 12C formed on the substrate was punched out together with the substrate, and the punched oxygen electrode catalyst layer 12C was placed on the oxygen electrode surface of the polymer electrolyte membrane 11 described below. Also, a portion of the anode catalyst layer 12A formed on the substrate was punched out together with the substrate, and the punched anode catalyst layer 12A was placed on the anode surface of the polymer electrolyte membrane 11 described below. In this case, the size of the electrode catalyst layer 12 punched out together with the substrate was 5 cm x 5 cm.
Polymer electrolyte membrane 11: Fluorine-based polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) 211, manufactured by DuPont)
Thickness of polymer electrolyte membrane 11: 25 μm
燃料極面に配置された燃料極触媒層12A、および酸素極面に配置された酸素極触媒層12Cに、130℃の転写温度、および5.0×106Paの転写圧力を加えてホットプレスを行い、実施例1の膜電極接合体10を得た。 The anode catalyst layer 12A disposed on the anode surface and the cathode catalyst layer 12C disposed on the cathode surface were hot-pressed at a transfer temperature of 130°C and a transfer pressure of 5.0 × 10 6 Pa to obtain the membrane electrode assembly 10 of Example 1.
<実施例2>
配合比R24を0.5に変更し、かつ配合比R23を0.6に変更し、それ以外の条件を実施例1と同じ条件として、実施例2の膜電極接合体10を得た。
Example 2
The conditions were the same as those of Example 1 except that the compounding ratio R24 was changed to 0.5 and the compounding ratio R23 was changed to 0.6, and a membrane electrode assembly 10 of Example 2 was obtained.
<実施例3>
配合比R24を1.0に変更し、かつ配合比R23を0.8に変更し、それ以外の条件を実施例1と同じ条件として、実施例3の膜電極接合体10を得た。
Example 3
The compounding ratio R24 was changed to 1.0, and the compounding ratio R23 was changed to 0.8, and the other conditions were the same as those of Example 1, to obtain a membrane electrode assembly 10 of Example 3.
<実施例4>
繊維状物質24を電解質繊維に変更し、かつ平均繊維径を200nmに変更し、それ以外の条件を実施例1と同じ条件として、実施例4の膜電極接合体10を得た。
Example 4
A membrane electrode assembly 10 of Example 4 was obtained under the same conditions as in Example 1, except that the fibrous material 24 was changed to electrolyte fibers and the average fiber diameter was changed to 200 nm.
<実施例5>
繊維状物質24を電解質繊維に変更し、かつ平均繊維径を200nmに変更し、それ以外の条件を実施例2と同じ条件として、実施例5の膜電極接合体10を得た。
Example 5
A membrane electrode assembly 10 of Example 5 was obtained under the same conditions as in Example 2, except that the fibrous material 24 was changed to electrolyte fibers and the average fiber diameter was changed to 200 nm.
<実施例6>
繊維状物質24を電解質繊維に変更し、かつ平均繊維径を200nmに変更し、それ以外の条件を実施例3と同じ条件として、実施例6の膜電極接合体10を得た。
Example 6
A membrane electrode assembly 10 of Example 6 was obtained under the same conditions as in Example 3, except that the fibrous material 24 was changed to electrolyte fibers and the average fiber diameter was changed to 200 nm.
<比較例1>
平均繊維径を8nmに変更し、それ以外の条件を実施例1と同じ条件として、比較例1の膜電極接合体を得た。
<Comparative Example 1>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 1 was obtained under the same conditions as in Example 1, except that the average fiber diameter was changed to 8 nm.
<比較例2>
平均繊維径を8nmに変更し、それ以外の条件を実施例2と同じ条件として、比較例2の膜電極接合体を得た。
<Comparative Example 2>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 2 was obtained under the same conditions as in Example 2, except that the average fiber diameter was changed to 8 nm.
<比較例3>
平均繊維径を8nmに変更し、それ以外の条件を実施例3と同じ条件として、比較例3の膜電極接合体を得た。
<Comparative Example 3>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 3 was obtained under the same conditions as in Example 3, except that the average fiber diameter was changed to 8 nm.
<比較例4>
平均繊維径を400nmに変更し、それ以外の条件を実施例4と同じ条件として、比較例4の膜電極接合体を得た。
<Comparative Example 4>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 4 was obtained under the same conditions as in Example 4, except that the average fiber diameter was changed to 400 nm.
<比較例5>
平均繊維径を400nmに変更し、それ以外の条件を実施例5と同じ条件として、比較例5の膜電極接合体を得た。
<Comparative Example 5>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 5 was obtained under the same conditions as in Example 5, except that the average fiber diameter was changed to 400 nm.
<比較例6>
平均繊維径を400nmに変更し、それ以外の条件を実施例6と同じ条件として、比較例6の膜電極接合体を得た。
<Comparative Example 6>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 6 was obtained under the same conditions as in Example 6, except that the average fiber diameter was changed to 400 nm.
<評価>
〔発電特性〕
実施例1~6、比較例1~6の電極触媒層12を用いて水銀圧入法による細孔径の分布を測定した。実施例1~6の電極触媒層12における細孔径の分布には、6nm以上15nm以下にピークが認められた。一方、比較例1~6の電極触媒層12における細孔径の分布には、6nm以上15nm以下にピークが認められなかった。
<Evaluation>
[Power generation characteristics]
The pore size distributions were measured by mercury porosimetry using the electrode catalyst layers 12 of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6. A peak was observed in the pore size distributions of the electrode catalyst layers 12 of Examples 1 to 6 within the range of 6 nm to 15 nm. On the other hand, no peak was observed in the pore size distributions of the electrode catalyst layers 12 of Comparative Examples 1 to 6 within the range of 6 nm to 15 nm.
酸素極拡散層31C、および燃料極拡散層31Aとして、それぞれカーボンペーパーを用いた。実施例1~6、および比較例1~6で得られた各膜電極接合体10に、それぞれ酸素極拡散層31Cと燃料極拡散層31Aとを貼りあわせて、発電評価セル内に設置し、燃料電池測定装置を用いて電流電圧測定を行った。電流電圧測定の条件を以下に示す。 Carbon paper was used for the oxygen electrode diffusion layer 31C and the fuel electrode diffusion layer 31A. The oxygen electrode diffusion layer 31C and the fuel electrode diffusion layer 31A were attached to each of the membrane electrode assemblies 10 obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6, respectively, and the assembly was placed in a power generation evaluation cell, where current and voltage measurements were performed using a fuel cell measurement device. The conditions for current and voltage measurements are shown below.
[測定条件]
・燃料ガス :水素
・酸化剤ガス :空気
・セル温度 :80℃
・制御背圧 :50kPa
[運転条件1]
・燃料極の相対湿度 :100%RH
・酸素極の相対湿度 :100%RH
[運転条件2]
・燃料極の相対湿度 :30%RH
・酸素極の相対湿度 :30%RH
なお、高負荷運転である運転条件1、および低負荷運転である運転条件2のそれぞれにおいて、燃料利用率が一定となるように、ガス流量の制御を行った。燃料利用率は、供給する燃料ガスの流量に対する、反応する燃料ガスの流量である。燃料利用率は、電流値から算出される水素消費速度を、供給する燃料ガスの水素流量で除したものである。また、比較例1、6の各膜電極接合体10にクラックが多く認められたため、比較例1、6の各膜電極接合体10について電流電圧測定を行わなかった。
[Measurement conditions]
Fuel gas: Hydrogen Oxidant gas: Air Cell temperature: 80°C
Control back pressure: 50 kPa
[Operating condition 1]
Relative humidity of fuel electrode: 100% RH
Relative humidity of oxygen electrode: 100% RH
[Operating condition 2]
Relative humidity of fuel electrode: 30% RH
Relative humidity of oxygen electrode: 30% RH
The gas flow rate was controlled so that the fuel utilization rate was constant under operating condition 1, which was a high-load operation, and operating condition 2, which was a low-load operation. The fuel utilization rate is the ratio of the flow rate of the reacting fuel gas to the flow rate of the supplied fuel gas. The fuel utilization rate is obtained by dividing the hydrogen consumption rate calculated from the current value by the hydrogen flow rate of the supplied fuel gas. Furthermore, since many cracks were observed in each of the membrane electrode assemblies 10 of Comparative Examples 1 and 6, current and voltage measurements were not performed on each of the membrane electrode assemblies 10 of Comparative Examples 1 and 6.
〔測定結果〕
実施例1~6および比較例1~6の膜電極接合体10を備えた燃料電池の発電性能を表1に示す。なお、表1では、発電性能において、電流密度が2.0A/cm2であるときの電圧が0.65V以上である構成に「〇」印を付す。また、電流密度が2.0A/cm2であるときの電圧が0、65V未満である構成に「×」印を付す。また、電極触媒層12に多くのクラックが認められた構成に「*」印を付す。
[Measurement results]
Table 1 shows the power generation performance of fuel cells equipped with the membrane electrode assemblies 10 of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6. In Table 1, in terms of power generation performance, a "◯" is marked for configurations in which the voltage was 0.65 V or higher when the current density was 2.0 A/ cm2 . An "X" is marked for configurations in which the voltage was less than 0.65 V when the current density was 2.0 A/ cm2 . An "*" is marked for configurations in which many cracks were observed in the electrode catalyst layer 12.
W22,W23,W24…質量
10…膜電極接合体
11…高分子電解質膜
12…電極触媒層
12A…燃料極触媒層
12C…酸素極触媒層
13A…燃料極ガスケット
13C…酸素極ガスケット
21…触媒粒子
22…担体
23…高分子電解質
24…繊維状物質
25…細孔
30…固体高分子形燃料電池
31A…燃料極拡散層
31C…酸素極拡散層
32A…燃料極セパレータ
32C…酸素極セパレータ
32Ag…ガス流路
32Aw…冷却水流路
W22, W23, W24... mass 10... membrane electrode assembly 11... polymer electrolyte membrane 12... electrode catalyst layer 12A... fuel electrode catalyst layer 12C... oxygen electrode catalyst layer 13A... fuel electrode gasket 13C... oxygen electrode gasket 21... catalyst particles 22... carrier 23... polymer electrolyte 24... fibrous material 25... pores 30... solid polymer fuel cell 31A... fuel electrode diffusion layer 31C... oxygen electrode diffusion layer 32A... fuel electrode separator 32C... oxygen electrode separator 32Ag... gas flow path 32Aw... cooling water flow path
Claims (3)
前記高分子電解質膜を挟持する一対の電極触媒層と、を備える膜電極接合体であって、
前記一対の電極触媒層の少なくとも一方は、触媒担持粒子と、高分子電解質と、平均繊維径が10nm以上300nm以下の繊維状物質と、を含み、
前記繊維状物質の質量は、前記触媒担持粒子における担体の質量の0.02倍以上1.0倍以下であり、
前記高分子電解質の質量は、前記触媒担持粒子における担体の質量の0.5倍以上0.8倍以下であり、
前記繊維状物質は、カーボンファイバーもしくはフッ素系高分子電解質繊維であり、
水銀圧入法にて測定される前記電極触媒層の細孔径分布が、6nm以上15nm以下の範囲内にピークが観測されることを特徴とする膜電極接合体。 a polymer electrolyte membrane;
a pair of electrode catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane,
at least one of the pair of electrode catalyst layers includes catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte, and a fibrous material having an average fiber diameter of 10 nm or more and 300 nm or less;
the mass of the fibrous material is 0.02 times or more and 1.0 times or less the mass of the carrier in the catalyst-supporting particle,
the mass of the polymer electrolyte is 0.5 to 0.8 times the mass of the carrier in the catalyst-supporting particle ,
the fibrous material is a carbon fiber or a fluorine-based polymer electrolyte fiber,
A membrane electrode assembly , wherein the pore size distribution of the electrode catalyst layer measured by mercury porosimetry exhibits a peak in the range of 6 nm to 15 nm .
前記触媒担持粒子が、白金担持炭素粒子であり、
前記高分子電解質が、フッ素系高分子電解質である
請求項1に記載の膜電極接合体。 the fibrous material includes at least one of one or more electron-conducting fibers and one or more proton-conducting fibers;
the catalyst-supporting particles are platinum-supporting carbon particles,
The membrane electrode assembly according to claim 1 , wherein the polymer electrolyte is a fluorine-based polymer electrolyte.
前記膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
前記膜電極接合体及び前記一対のガス拡散層を挟んで対向する一対のセパレータと、
を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2 ;
a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly;
a pair of separators facing each other with the membrane electrode assembly and the pair of gas diffusion layers interposed therebetween;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021127641A JP7757654B2 (en) | 2021-08-03 | 2021-08-03 | Membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021127641A JP7757654B2 (en) | 2021-08-03 | 2021-08-03 | Membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023022654A JP2023022654A (en) | 2023-02-15 |
| JP7757654B2 true JP7757654B2 (en) | 2025-10-22 |
Family
ID=85201956
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021127641A Active JP7757654B2 (en) | 2021-08-03 | 2021-08-03 | Membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7757654B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025005288A1 (en) | 2023-06-30 | 2025-01-02 | 日鉄ケミカル&マテリアル株式会社 | Carbon material for catalyst carrier of solid polymer fuel cell, catalyst layer for solid polymer fuel cell, and fuel cell |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020022191A1 (en) | 2018-07-25 | 2020-01-30 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Cathode catalyst layer of fuel cell, and fuel cell |
| JP2020061249A (en) | 2018-10-09 | 2020-04-16 | 凸版印刷株式会社 | Membrane-electrode assembly for fuel cell, and solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2020061247A (en) | 2018-10-09 | 2020-04-16 | 凸版印刷株式会社 | Membrane-electrode assembly for fuel cell, and solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2021093259A (en) | 2019-12-09 | 2021-06-17 | 凸版印刷株式会社 | Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell |
-
2021
- 2021-08-03 JP JP2021127641A patent/JP7757654B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020022191A1 (en) | 2018-07-25 | 2020-01-30 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Cathode catalyst layer of fuel cell, and fuel cell |
| JP2020061249A (en) | 2018-10-09 | 2020-04-16 | 凸版印刷株式会社 | Membrane-electrode assembly for fuel cell, and solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2020061247A (en) | 2018-10-09 | 2020-04-16 | 凸版印刷株式会社 | Membrane-electrode assembly for fuel cell, and solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2021093259A (en) | 2019-12-09 | 2021-06-17 | 凸版印刷株式会社 | Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023022654A (en) | 2023-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5556434B2 (en) | Gas diffusion electrode and method for producing the same, membrane electrode assembly and method for producing the same | |
| JP7544203B2 (en) | Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
| CN112993270B (en) | Catalyst, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and fuel cell using the same | |
| JP4185064B2 (en) | Cathode electrode for liquid fuel type polymer electrolyte fuel cell and liquid fuel type polymer electrolyte fuel cell | |
| WO2005106994A1 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using same | |
| JP2016100262A (en) | Catalyst for solid polymer fuel cell | |
| JP2019530961A (en) | Cathode electrode design for electrochemical fuel cells | |
| US20240282994A1 (en) | Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
| WO2020075777A1 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cells and solid polymer fuel cell | |
| US20220311016A1 (en) | Catalyst layer and method for producing the same | |
| JP2008204664A (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell using the same | |
| WO2009119062A1 (en) | Membrane-electrode assembly, fuel cell, and fuel cell system | |
| WO2020022191A1 (en) | Cathode catalyst layer of fuel cell, and fuel cell | |
| JP6205822B2 (en) | Fuel cell | |
| JP7757654B2 (en) | Membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly | |
| JP7310855B2 (en) | catalyst layer | |
| JP2009238496A (en) | Membrane-electrode assembly | |
| JP7476888B2 (en) | Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP6554954B2 (en) | Catalyst mixture, production method thereof, and electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and fuel cell using the catalyst mixture | |
| JP2005197195A (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
| JP7540221B2 (en) | Membrane electrode assembly for fuel cells and polymer electrolyte fuel cells | |
| JP6672622B2 (en) | Electrode catalyst layer for fuel cell, method for producing the same, and membrane electrode assembly using the catalyst layer, fuel cell, and vehicle | |
| JP2007066805A (en) | Gas diffusion layer, gas diffusion electrode and membrane electrode assembly | |
| WO2020196419A1 (en) | Catalyst layer for solid polymer fuel cells, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell | |
| JP2007128665A (en) | Electrode catalyst layer for fuel cell and method for producing membrane electrode assembly using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240724 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250522 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250527 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250711 |
|
| 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: 20250909 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250922 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7757654 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |