JP3617237B2 - ELECTRODE FOR FUEL CELL, POWER GENERATION LAYER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の電極および発電層並びにその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池では、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(酸素極と燃料極)に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式(1)および式(2)に示す反応が行なわれ、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【0003】
アノード反応(燃料極):H2→2H++2e− …(1)
カソード反応(酸素極):2H++2e−+(1/2)O2→H2O …(2)
【0004】
この反応を連続的にかつ円滑に行なうためには、反応の進行が、一般に、固相としての触媒と、液相としての電解質と、気相としての反応ガス(燃料ガスや酸化ガス)とが共存する三相界面で反応が進行するといわれていることから、電極内の触媒に燃料ガスや酸化ガスが充分に供給されると同時に、反応に寄与する電子やプロトンの伝達経路が確保される必要がある。
【0005】
従来、こうした要求に応える燃料電池用の電極としては、触媒としての白金を担持する略単一粒径のカーボン粒子をイオン交換樹脂溶液に分散させてペースト状のインクとし、このインクによりシート状に形成されたものを乾燥させて樹脂化して得られるもの(例えば、特表平5−507583号公報など)や、イオン交換樹脂溶液に触媒を担持したカーボン粒子と共に亜鉛,アルミニウム,クロム等の金属あるいはこれらの金属塩などの無機塩の粉末を造孔剤として分散させてペースト状のインクとし、このインクによりシート状に形成されたもの乾燥させて樹脂化し、更に酸などの溶液により造孔剤を溶出させて除去することにより内部に複数の細孔を形成して得られるもの(例えば、特開平6−36771号公報や特開平6−203852号公報など)が提案されている。これらの電極では、主材料としてカーボン粒子を用い、これを電解質であるイオン交換樹脂によって接着形成することにより、上述の式(1)および式(2)の反応に寄与する電子やプロトンの伝達経路を確保すると共に、造孔剤を用いて電極内に複数の細孔を形成することにより、カーボン粒子に担持された白金触媒上に燃料ガスや酸化ガスを充分に供給し、上述の気相と液相と固相の三相界面を形成しようとしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの電極ではカーボン粒子が密に詰まることから、カーボン粒子に担持された触媒へのガスの供給が充分でない場合を生じるという問題があった。式(1)および式(2)の反応は上述した三相界面で行われるから、造孔剤により形成された細孔から更に内部にあるカーボン粒子に至るガスの供給通路が必要となるが、従来例の電極では、主材料が略単一粒径のカーボン粒子によって形成されているから、カーボン粒子の詰まり方は最密充填に近くなり、カーボン粒子間にはガスを供給するための微細な通路の形成が困難となってしまう。
【0007】
本発明の燃料電池用の電極および発電層は、上述の式(1)および式(2)の反応を促進するために、カーボン粒子に担持される触媒上に燃料ガスおよび酸化ガスを充分に供給することを目的の一つとする。
【0008】
また、本発明の燃料電池用の電極や発電層の製造方法は、カーボン粒子に担持される触媒上に燃料ガスおよび酸化ガスを充分に供給できる電極や発電層の製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池用の電極および発電層並びにその製造方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【0010】
本発明の第1の燃料電池用の電極は、
燃料電池用の電極であって、
粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を備え、
前記カーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成し、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させてなる
ことを要旨とする。
【0011】
この本発明の第1の燃料電池用の電極によれば、カーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成し、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させてなるので、電極を、異なる粒径のカーボン粒子によって形成することにより、電極内のカーボン粒子の詰まり方が密となるのを回避することができる。この結果、カーボン粒子間にガスの微細な通路を形成することができ、カーボン粒子に担持される触媒上にガスを充分に供給することができる。
【0012】
こうした本発明の第1の燃料電池用の電極において、前記カーボン粒子は2つの分布中心を有し、該2つの分布中心における粒径の比は少なくとも2対3より大きい比であるものとすることもできる。こうすれば、電極内のカーボン粒子の詰まり方が密となるのをより確実に回避することができる。
【0013】
本発明の第1の燃料電池用の発電層は、本発明の第1の燃料電池用の電極をシート状の電解質の両面に接合してなることを要旨とする。この本発明の第1の燃料電池用の発電層によれば、カーボン粒子に担持される触媒上にガスが充分に供給される電極を用いることにより、その発電効率をより向上させることができる。
【0014】
本発明の第1の燃料電池の電極の製造方法は、
燃料電池用の電極の製造方法であって、
(a)粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を調整する粒子調整工程と、
(b)該粒径の調整されたカーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成用すると共に、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子を含めて前記粒子調整工程により調整されたカーボン粒子を所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備えることを要旨とする
【0015】
この本発明の第1の燃料電池用の電極の製造方法によれば、粒径の調整されたカーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成用すると共に、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させるので、カーボン粒子が密に詰まっておらず、かつ触媒を担持した電極を製造することができる。すなわち、カーボン粒子に担持される触媒上にガスが充分に供給される電極を製造することができる。
【0016】
本発明の第1の燃料電池用の発電層の製造方法は、
燃料電池用の発電層の製造方法であって、
(a)粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を調整する粒子調整工程と、
(b)該粒径の調整されたカーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成用すると共に、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子を含めて前記粒子調整工程により調整されたカーボン粒子を所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電解質上にシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該電解質上に形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備えることを要旨とする。
【0017】
この本発明の第1の燃料電池用の発電層の製造方法によれば、カーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成し、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させてなるので、カーボン粒子が密に詰まっておらず、カーボン粒子に担持される触媒上にガスが充分に供給される電極を備える発電層を製造することができる。すなわち、発電効率のよい発電層を製造することができる。
【0018】
本発明の第2の燃料電池用の電極は、
燃料電池用の電極であって、
カーボン生成時に生じる2次凝集体が大きく骨体形成に寄与するアセチレンブラックのカーボン粒子と、表面に触媒を担持した比表面積の大きなファーネスブラックのカーボン粒子とを用い、両カーボン粒子を3次元構造的に接着させてなる所定サイズのカーボン粒子構造体を備えることを要旨とする。
【0019】
本発明の第2の燃料電池用の電極は、カーボン生成時に生じる2次凝集体が大きく骨体形成に寄与するアセチレンブラックのカーボン粒子と、表面に触媒を担持した比表面積の大きなファーネスブラックのカーボン粒子とを用い、3次元構造的に接着されてなる所定サイズのカーボン粒子構造体によって形成することにより、電極内のカーボン粒子の詰まり方が密となるのを回避することができる。この結果、カーボン粒子間にガスの微細な通路を形成することができ、カーボン粒子に担持される触媒上にガスを充分に供給することができる。
【0020】
この本発明の第2の燃料電池用の電極において、前記所定サイズは、0.5μmないし10μmであるものとすることもできる。こうすれば、カーボン粒子間のガスの微細な通路をより確実に形成することができる。
【0021】
本発明の第2の燃料電池用の発電層は、本発明の第2の燃料電池用の電極をシート状の電解質の両面に接合してなることを要旨とする。この本発明の第2の燃料電池用の発電層によれば、カーボン粒子に担持される触媒上にガスが充分に供給される電極を用いることにより、その発電効率をより向上させることができる。
【0022】
本発明の第2の燃料電池用の電極の製造方法は、
燃料電池用の電極の製造方法であって、
(a)比表面積の大きなファーネスブラックのカーボン粒子を3次元構造的に接着させてカーボン粒子構造体を形成する構造体形成工程と、
(b)該形成されたカーボン粒子構造体に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子構造体と、カーボン生成時に生じる2次凝集体が大きく、骨体形成に寄与するアセチレンブラックのカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備えることを要旨とする。
【0023】
この本発明の第2の燃料電池用の電極の製造方法によれば、カーボン粒子が密に詰まっていない電極を製造することができる。すなわち、カーボン粒子に担持される触媒上にガスが充分に供給される電極を製造することができる。
【0024】
こうした本発明の第2の燃料電池用の電極の製造方法において、
ステップ(a)は、
(a1)カーボン粒子を所定の溶媒に分散させて構造体調整溶液を調整する構造体調整溶液調整工程と、
(a2)該調整された構造体調整溶液中の溶媒を乾燥させて固形の構造体形成部材を形成する構造体形成部材形成工程と、
(a3)該形成された構造体形成部材を粉砕してカーボン粒子構造体を形成する粉砕工程と
からなるものとすることもできる。
【0025】
こうすれば、容易に3次元構造的に接着されてなる所定サイズのカーボン粒子構造体を形成することができる。
【0026】
本発明の第2の燃料電池用の発電層の製造方法は、
燃料電池用の発電層の製造方法であって、
(a)比表面積の大きなファーネスブラックのカーボン粒子を3次元構造的に接着させてカーボン粒子構造体を形成する構造体形成工程と、
(b)該形成されたカーボン粒子構造体に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子構造体と、カーボン生成時に生じる2次凝集体が大きく、骨体形成に寄与するアセチレンブラックのカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電解質上にシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該電解質上に形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備えることを要旨とする。
【0027】
この本発明の第2の燃料電池用の発電層の製造方法によれば、カーボン粒子に担持される触媒上にガスが充分に供給される電極を備える発電層を製造することができる。すなわち、発電効率のよい発電層を製造することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図1は本発明の好適な一実施例である電解質膜12と触媒電極14との接合体である発電層15の製造の様子を例示する工程図であり、図2は図1の工程により製造される発電層15の構造の概略を例示する模式図である。まず、図1の工程図に基づき発電層15の製造の様子について説明する。
【0029】
実施例の発電層15の製造は、まず、触媒電極14の骨体形成用のカーボン粒子C1として平均粒径60nmで略均一な粒径のアセチレンブラックを準備すると共に触媒担持用のカーボン粒子C2として平均粒径20nmで略均一な粒径のファーネスブラックを準備する(ステップS100)。ここで、骨体形成用のカーボン粒子C1としてアセチレンブラックを用いるのは、アセチレンブラックのストラクチャ、即ちカーボン生成時に生じる2次凝集体が大きいためであり、触媒担持用のカーボン粒子C2としてファーネスブラックを用いるのは、表面積を大きくするためである。一般にストラクチャが大きくなるほどカーボン粒子間の間隙が多く生成されるから、構成される触媒電極14はガス拡散性の良好なものとなるが、ストラクチャを形成するカーボン粒子の数は限界がある。このため、ストラクチャの大小はカーボン粒子の粒径に依存することになる。実施例では、こうしたことを考慮して大きなストラクチャを得るためにカーボン粒子C1に粒径の大きなものを用いているのである。ただし、粒径が大きくなると比表面積が小さくなり担体としての性能が低下してしまう。このため、実施例では、担体としての性能を高く維持するために触媒担持用のカーボン粒子C2として表面積が大きな小粒径のカーボンを用いているのである。なお、実施例では、触媒担持用のカーボン粒子C2として、ファーネスブラックの表面を水蒸気で浸食する表面賦活処理を施し、比表面積が800m2/gとなるようにした。
【0030】
次に、触媒担持用のカーボン粒子C2の表面に触媒Pとしての白金あるいは白金と他の金属との合金の微粒子(実施例では、平均粒径3nm)が担持密度60wt%で担持するよう担持させ(ステップS102)、これと平均粒径60nmのカーボン粒子C1、造孔剤Zとしての平均粒径200nmの亜鉛粒子、固形分が5wt%のパーフルオロカーボンスルホン酸溶液(例えば、アルドリッチケミカル社製のナフィオンソリューション)、シクロヘキサノールを、7:3:10:60:40の比率で混合し、超音波を照射して骨体形成用のカーボン粒子C1や触媒担持用のカーボン粒子C2および造孔剤Zを分散させてペースト状のインクを調整する(ステップS104)。なお、超音波の照射による分散は、実施例では市販されている超音波洗浄機を用いて周波数30kHzないし50kHzの超音波を照射することによって行なった。
【0031】
次に、このペースト状のインクをドクターブレード式の印刷装置を用いてテフロンシート上に厚さ30μmないし500μm好ましくは80μmないし300μmに調整して印刷することによりシート状の電極形成部材17を形成し(ステップS106)、形成した電極形成部材17を常温で大気中の1時間の乾燥と、40℃ないし120℃好ましくは70℃ないし90℃の温度による3時間の真空乾燥とにより、その厚さが1μmないし100μm好ましくは3μmないし10μmとなるよう電極形成部材17中の溶媒を乾燥させる(ステップS108)。そして、予め希硫酸,過酸化水素水およびイオン交換水で順次煮沸洗浄を行った厚さ10μmないし200μm好ましくは30μmないし100μmの電解質膜12(例えば、デュポン社製商品名「ナフィオン」として販売されているパーフルオロカーボンスルホン酸高分子膜など)を乾燥させた電極形成部材17で印刷面が内側となるよう挟み、サンドイッチ構造とした状態で100℃ないし160℃好ましくは110℃ないし130℃の温度で1MPaないし20MPa好ましくは5MPaないし15MPaの圧力を作用させて接合するホットプレス法により電解質膜12と電極形成部材17とを接合する(ステップS110)。
【0032】
こうして得られた電解質膜12と電極形成部材17との接合体からテフロンシートを剥がして造孔剤Zを溶解可能な酸に浸漬して電極形成部材17から造孔剤Zを溶出させ(ステップS112)、洗浄,乾燥して、図2に示すような2つの触媒電極14と電解質膜12との接合体である発電層15を完成する。なお、実施例では、造孔剤Zを溶解可能な酸としては1規定の希硫酸を用い、この希硫酸による煮沸洗浄とイオン交換水による煮沸洗浄を2回ないし5回程度繰り返すことにより電極形成部材17から造孔剤Zを完全に溶出させた。
【0033】
次に、こうして製造された発電層15を用いた燃料電池10について説明する。図3は実施例の発電層15を備える燃料電池10の構成を例示する模式図である。図示するように、燃料電池10は、前述の製造方法により製造された電解質膜12と2つの触媒電極14との接合体である発電層15と、この発電層15を挟持する2つのガス拡散電極16と、発電層15と共にガス拡散電極16をも挟持する集電極20とからなる。
【0034】
2つのガス拡散電極16は、表面をポリ四フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理されていない炭素繊維とを1対1の割合とした糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。このガス拡散電極16は、炭素繊維にコーティングされたポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈することから、ガス拡散電極16の表面全体が水で覆われてることがなく、良好なガス透過性を有する。
【0035】
集電極20は、カーボンを圧縮して緻密化しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されており、集電極20のガス拡散電極16と接触する面には、平行に配置された複数のリブ22が形成されている。このリブ22は、ガス拡散電極16とで酸素を含有する酸化ガス(例えば、空気等)または水素を含有する燃料ガス(例えば、メタノール改質ガス等)の流路24を形成する。
【0036】
こうして構成された燃料電池10の発電層15と2つのガス拡散電極16とを挟んで対峙する集電極20とガス拡散電極16とにより形成される流路24に、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスを供給すれば、電解質膜12を挟んで対峙する2つの触媒電極14に燃料ガスおよび酸化ガスが供給されて、前述の反応式(1)および式(2)に示す電気化学反応が行なわれ、化学エネルギが直接電気エネルギに変換される。
【0037】
次に、こうして構成された燃料電池10の性能について従来例の燃料電池と比較して説明する。図4は、実施例の燃料電池10と従来例の燃料電池とにおける電流密度と電圧との関係を例示したグラフであり、図5は従来例の燃料電池の触媒電極の構造を例示する模式図である。図4のグラフ中、曲線Aは実施例の発電層15を備える燃料電池10における電流密度と電圧との関係を示し、曲線Cは平均粒径40nm,比表面積260m2/gのカーボン粒子CCに白金を担持密度50wt%で担持させたものを用いて前述の実施例と同様の製造方法により製造した発電層15C(図5の模式図を参照)を備える燃料電池(以下、従来例の燃料電池という)における電流密度と電圧との関係を示す。なお、曲線Bについては後述する。
【0038】
従来例の燃料電池が備える発電層15Cの触媒電極14Cは、単一の粒径のカーボン粒子CCにより形成されるから、カーボン粒子CCが比較的密に詰まった状態となり、カーボン粒子間の間隙として微細なガスの供給路SCはあまり多くは形成されず、形成されても袋小路のように造孔剤ZCにより形成される細孔と連通しないものが多くなる。これに比して、実施例の触媒電極14は、異なる粒径のカーボン粒子C1,C2により形成されるから、カーボン粒子間に比較的間隙が多く形成された状態となり、造孔剤Zにより形成された細孔と連通する微細なガスの供給路Sが多く形成される。この結果、実施例の触媒電極14を備える燃料電池10は、図4に示すように、ガスの供給性の影響が大きくなる高電流密度領域で従来例の燃料電池に比して著しい性能の向上が認められる。
【0039】
以上説明した実施例の発電層15によれば、造孔剤Zにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極14を備えることにより、ガスの供給性の影響が大きくなる高電流密度領域で従来例の発電層に比して著しく性能を向上させることができる。この結果、こうした発電層15を用いることにより、より性能のよい燃料電池を構成することができる。
【0040】
こうした実施例の発電層15の製造方法によれば、粒径の異なるカーボン粒子を用いて電極形成部材17を形成することにより、カーボン粒子間に造孔剤Zにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極14を備える発電層15を製造することができる。この結果、こうして製造された発電層15を用いることにより、より性能のよい燃料電池を製造することができる。
【0041】
実施例の発電層15およびその製造方法では、骨体形成用のカーボン粒子C1として60nmのアセチレンブラックを用い、触媒担持用のカーボン粒子C2として20nmのファーネスブラックを用いたが、両カーボン粒子の粒径が異なればよいから、如何なる比率の粒径としてもよく、他のブラックを用いてもよい。例えば、粒径比として3:2以上としてもよい。
【0042】
また、実施例の発電層15およびその製造方法では、粒径の小さなカーボン粒子に触媒を担持させたが、粒径の大きなカーボン粒子に触媒を担持させ粒径の小さなカーボン粒子には触媒を担持させないものとしたり、すべてのカーボン粒子に触媒を担持させるものとしてもよい。
【0043】
実施例の発電層15およびその製造方法では、平均粒径が60nmで略均一なカーボン粒子C1と平均粒径が20nmで略均一なカーボン粒子C2とを用いたが、粒径は略均一である必要はなく、異なる平均粒径で分布するカーボン粒子を用いることもできる。
【0044】
実施例の発電層15およびその製造方法では、平均粒径が異なる2種のカーボン粒子を用いたが、平均粒径が異なる3種以上のカーボン粒子を用いるものとしてもよい。
【0045】
また、実施例の発電層15の製造方法では、ペースト状に調整したインクをドクターブレード式の印刷装置を用いてテフロンシート上に印刷することによりシート状の電極形成部材17を形成したが、電解質膜12へスクリーン印刷などにより直接印刷して形成するものとしたり、テフロンシート上にあるいは電解質膜12上にスプレーにより吹き付けて形成するものなど、種々の方法で形成してもよい。
【0046】
以上、実施例の発電層15およびこれを製造する方法について説明したが、この発電層15の製造工程のうち電解質膜12と電極形成部材17との接合の工程(図1のステップS110)を除くことにより、平均粒径が60nmで略均一なカーボン粒子C1と平均粒径が20nmで略均一なカーボン粒子C2と用いて、カーボン粒子間に造孔剤Zにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極14を製造することができる。こうして製造された触媒電極14は、造孔剤Zにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有するから、ガスの供給性の高い電極となる。したがって、この触媒電極14を用いることにより、より性能の高い発電層を形成することができると共に、より性能の高い燃料電池を構成することができる。もとより、こうした触媒電極14の製造方法によれば、細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極を製造することができる。なお、この触媒電極14の製造の様子については、図1のステップS110の工程を省くだけであるから、説明を要しないのはいうまでもない。
【0047】
次に、本発明の第2の実施例としての発電層15Bおよびその製造方法について説明する。図6は第2実施例の発電層15Bの製造の様子を例示する工程図であり、図7は図6の工程により製造される発電層15Bの構造の概略を例示する模式図である。
【0048】
第2実施例の発電層15Bの製造は、まず、触媒電極14Bを形成するための所定サイズの3次元構造のカーボン粒子構造体CSを形成することから行われる(ステップS200)。このカーボン粒子構造体CSの形成は、図8に例示する工程図に基づいて行われる。すなわち、まず、第1実施例で触媒担持用のカーボン粒子C2として用いられた平均粒径20nmで略均一なファーネスブラックをカーボン粒子構造体CSを形成するカーボン粒子CBとして準備する(ステップS220)。次に、準備したカーボン粒子CBと、水系で固形分が60wt%のポリテトラフルオロエチレンと、界面活性剤(ポリエチレングリコール−P−イソオクチルフェニルエーテル)と、イオン交換水とを10:3:2:500の重要比で混合し、出力600Wの超音波ホモジナイザで15分、更に10000rpmの機械式ホモジナイザで30分分散・攪拌を行う(ステップS222)。こうして分散させた分散液は加圧濾過装置で濾過され(ステップS224)、濾過により分離された固形分を120℃で3時間真空乾燥させてペレット状の固形物とする(ステップS226)。次に、このペレット状の固形物を粉砕器(例えば、コーヒーミルなど)により粉砕し(ステップS228)、窒素ガス雰囲気中で320℃の温度で5時間焼成する(ステップS230)。こうした焼成により、界面活性剤を熱分解により除去すると共に、ポリテトラフルオロエチレンを結着剤Dとしてカーボン粒子CBを3次元構造的に結着させるのである。そして、この結着物の大きさが1μmないし5μm程度となるよう再度粉砕器で粉砕して(ステップS232)、大きさが1μmないし5μmの3次元構造のカーボン粒子構造体CSを得る。
【0049】
こうして得られた3次元構造のカーボン粒子構造体CSの表面に触媒PBとしての白金あるいは白金と他の金属との合金の微粒子(実施例では、平均粒径2nm)が担持密度50wt%で担持するよう担持させ(ステップS202)、この触媒を担持させたカーボン粒子構造体CSと造孔剤Zとしての平均粒径200nmの亜鉛粒子と、固形分が5wt%のパーフルオロカーボンスルホン酸溶液(例えば、アルドリッチケミカル社製のナフィオンソリューション)と、シクロヘキサノールとを1:1:6:4の比率で混合し、超音波を照射して骨体形成用のカーボン粒子C1や触媒担持用のカーボン粒子C2および造孔剤Zを分散させてペースト状のインクを調整する(ステップS204)。第2実施例でも、超音波の照射による分散は市販されている超音波洗浄機を用いて周波数30kHzないし50kHzの超音波を照射することによって行なった。
【0050】
以下、第1実施例の発電層15を製造する工程である図1のステップS106ないしS112と同一の工程のステップS206ないしS212を行って第2実施例の発電層15Bを完成する。なお、ステップS206ないしS212の工程については第1実施例で詳細に説明したから、ここでは省略する。
【0051】
次に、こうして製造された第2実施例の発電層15により、第1実施例の発電層15を備える燃料電池10Bと同様に燃料電池10Bを構成し、燃料ガスと酸化ガスとを供給すれば、電解質膜12Bを挟んで対峙する2つの触媒電極14Bに燃料ガスおよび酸化ガスが供給されて、前述の反応式(1)および式(2)に示す電気化学反応が行なわれ、化学エネルギが直接電気エネルギに変換される。
【0052】
次に、こうして構成された燃料電池10Bの性能について従来例の燃料電池と比較して説明する。第2実施例の発電層15Bを備える燃料電池10Bにおける電流密度と電圧との関係を図4の曲線Bに示す。
【0053】
従来例の燃料電池が備える発電層15Cの触媒電極14Cは、前述したように、単一の粒径のカーボン粒子CCにより形成されるから、カーボン粒子CCが比較的密に詰まった状態となり、カーボン粒子間の間隙として微細なガスの供給路SCはあまり多くは形成されない。これに比して、第2実施例の触媒電極14Bは、3次元構造のカーボン粒子構造体CSにより形成されるから、カーボン粒子間に比較的間隙が多く形成された状態となり、造孔剤ZBにより形成された細孔と連通する微細なガスの供給路SBが多く形成される。この結果、第2実施例の触媒電極14Bを備える燃料電池10Bは、図4に示すように、ガスの供給性の影響が大きくなる高電流密度領域で従来例の燃料電池に比して著しい性能の向上が認められる。
【0054】
以上説明した第2実施例の発電層15Bによれば、3次元構造のカーボン粒子構造体CSにより電極形成部材を形成するから、造孔剤ZBにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極14Bを備えることができ、ガスの供給性の影響が大きくなる高電流密度領域で従来例の発電層に比して著しく性能を向上させることができる。この結果、こうした発電層15Bを用いることにより、より性能のよい燃料電池を構成することができる。
【0055】
こうした第2実施例の発電層15Bの製造方法によれば、3次元構造のカーボン粒子構造体CSを用いて電極形成部材を形成することにより、カーボン粒子間に造孔剤ZBにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極14Bを備える発電層15Bを製造することができる。この結果、こうして製造された発電層15Bを用いることにより、より性能のよい燃料電池を製造することができる。
なお、第2実施例の発電層15Bおよびその製造方法では、ポリテトラフルオロエチレンを結着剤Dとしてカーボン粒子CBを3次元構造的に結着させてカーボン粒子構造体CSを形成したが、カーボン粒子を3次元構造的に結着させることができれば、他の如何なる結着剤を用いてもよい。
【0056】
また、第2実施例の発電層15Bおよびその製造方法では、3次元構造のカーボン粒子構造体を形成するのに平均粒径が20nmのファーネスカーボンブラックを用いた。
【0057】
第2実施例の発電層15Bの製造方法では、カーボン粒子構造体CSを得るのに焼成した後、再度粉砕器により粉砕したが、焼成して得られた結着物の大きさが1μmないし5μm程度であれば、再度の粉砕の工程はないものとしてもよい。
【0058】
第2実施例の発電層15Bの製造方法でも、ペースト状に調整したインクをドクターブレード式の印刷装置を用いてテフロンシート上に印刷することによりシート状の電極形成部材を形成するものとしたが、電解質膜12Bへスクリーン印刷などにより直接印刷して形成するものとしたり、テフロンシート上にあるいは電解質膜12B上にスプレーにより吹き付けて形成するものなど、種々の方法で形成してもよい。
【0059】
以上、第2実施例の発電層15Bおよびこれを製造する方法について説明したが、この発電層15Bの製造工程のうち電解質膜12Bと電極形成部材との接合の工程(図6のステップS210)を除くことにより、3次元構造のカーボン粒子構造体CSを用いて、カーボン粒子間に造孔剤ZBにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極14Bを製造することができる。こうして製造された触媒電極14Bは、造孔剤ZBにより形成される細孔と連通するガスの供給路を多く有するから、ガスの供給性の高い電極となる。したがって、この触媒電極14Bを用いることにより、より性能の高い発電層を形成することができると共に、より性能の高い燃料電池を構成することができる。もとより、こうした触媒電極14Bの製造方法によれば、細孔と連通するガスの供給路を多く有する触媒電極を製造することができる。なお、この触媒電極14Bの製造の様子については、図6のステップS210の工程を省くだけであるから、これ以上の説明を要しないのはいうまでもない。
【0060】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【0061】
例えば、第1実施例と第2実施例とを同時に適用する構成、すなわち、平均粒径の異なるカーボン粒子を結着剤によって3次元構造的に結着させたカーボン粒子構造体を用いて触媒電極や発電層を製造したり、こうしたカーボン粒子構造体を備える触媒電極や発電層としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な一実施例である電解質膜12と触媒電極14との接合体である発電層15の製造の様子を例示する工程図である。
【図2】図1の工程により製造される発電層15の構造の概略を例示する模式図である。
【図3】実施例の発電層15を備える燃料電池10の構成を例示する模式図である。
【図4】実施例の発電層15を備える燃料電池10と従来例の燃料電池とにおける電流密度と電圧との関係を例示したグラフである。
【図5】従来例の燃料電池の発電層15Cの構造の概略を拡大して示す模式図である。
【図6】本発明の第2の実施例である発電層15Bの製造の様子を例示する工程図である。
【図7】図1の工程により製造される発電層15Bの構造の概略を例示する模式図である。
【図8】カーボン粒子構造体CSを形成する様子を例示する工程図である。
【符号の説明】
10…燃料電池
12…電解質膜
14…触媒電極
15…発電層
16…ガス拡散電極
17…電極形成部材
20…集電極
22…リブ
24…流路
C1…カーボン粒子
C2…カーボン粒子
CS…カーボン粒子構造体
D…結着剤
P…触媒
S…供給路
Z…造孔剤[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrode and a power generation layer for a fuel cell, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen are supplied to two electrodes (an oxygen electrode and a fuel electrode) facing each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. Thus, the reactions shown in the following formulas (1) and (2) are performed, and the chemical energy of the substance is directly converted into electric energy.
[0003]
Anode reaction (fuel electrode): H2→ 2H++ 2e− ... (1)
Cathode reaction (oxygen electrode): 2H++ 2e−+ (1/2) O2→ H2O ... (2)
[0004]
In order to carry out this reaction continuously and smoothly, the progress of the reaction generally involves a catalyst as a solid phase, an electrolyte as a liquid phase, and a reaction gas (fuel gas or oxidizing gas) as a gas phase. Since it is said that the reaction proceeds at the coexisting three-phase interface, fuel gas and oxidizing gas must be sufficiently supplied to the catalyst in the electrode, and at the same time, a transmission path for electrons and protons contributing to the reaction must be secured. There is.
[0005]
Conventionally, as an electrode for a fuel cell that meets these requirements, carbon particles having a substantially single particle size carrying platinum as a catalyst are dispersed in an ion exchange resin solution to form a paste-like ink, and this ink is used to form a sheet. What is obtained by drying and forming a resin (for example, Japanese Patent Publication No. 5-507583), a metal such as zinc, aluminum, chromium, etc. together with carbon particles carrying a catalyst in an ion exchange resin solution or These inorganic salt powders, such as metal salts, are dispersed as a pore-forming agent to form a paste-like ink, which is formed into a sheet by using this ink and dried to form a resin. Further, the pore-forming agent is added by a solution such as an acid. What is obtained by forming a plurality of pores inside by elution and removal (for example, JP-A-6-36771 and JP-A-6-2038) Such as 2 No.) have been proposed. In these electrodes, carbon particles are used as a main material, and these are bonded and formed by an ion exchange resin as an electrolyte, whereby electron and proton transmission paths that contribute to the reactions of the above formulas (1) and (2). In addition, by forming a plurality of pores in the electrode using a pore-forming agent, fuel gas and oxidizing gas are sufficiently supplied onto the platinum catalyst supported on the carbon particles, and the above gas phase and It is trying to form a three-phase interface between the liquid phase and the solid phase.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in these electrodes, the carbon particles are densely packed, so that there is a problem that the supply of gas to the catalyst supported on the carbon particles is not sufficient. Since the reactions of the formulas (1) and (2) are performed at the above-described three-phase interface, a gas supply passage from the pores formed by the pore-forming agent to the inner carbon particles is necessary. In the electrode of the conventional example, the main material is formed of carbon particles having a substantially single particle size, so the clogging of the carbon particles is close to the closest packing, and the fine particles for supplying gas between the carbon particles. Formation of the passage becomes difficult.
[0007]
The electrode and power generation layer for the fuel cell of the present invention sufficiently supply the fuel gas and the oxidizing gas onto the catalyst supported on the carbon particles in order to promote the reaction of the above formulas (1) and (2). One of the purposes is to do.
[0008]
Another object of the present invention is to provide an electrode and power generation layer manufacturing method that can sufficiently supply fuel gas and oxidizing gas onto a catalyst supported on carbon particles. And
[0009]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve at least a part of the above-described object, the electrode and power generation layer for a fuel cell and the method for producing the same of the present invention employ the following means.
[0010]
The first fuel cell electrode of the present invention comprises:
An electrode for a fuel cell,
Comprising carbon particles having at least two particle size distribution centers;
Of the carbon particlesOf these carbon particles, the electrode body is formed of carbon particles having a distribution center with a large particle size, and the particle size of the carbon particles is small.A catalyst is supported on carbon particles having a distribution center.
This is the gist.
[0011]
According to the first fuel cell electrode of the present invention,An electrode bone is formed by carbon particles having a distribution center having a large particle size among the carbon particles, and a catalyst is supported on the carbon particles having a distribution center having a small particle size among the carbon particles.By forming the carbon particles with different particle diameters, it is possible to prevent the carbon particles in the electrode from becoming clogged. As a result, a fine gas passage can be formed between the carbon particles, and the gas can be sufficiently supplied onto the catalyst supported on the carbon particles.
[0012]
In the first fuel cell electrode of the present invention, the carbon particles have two distribution centers, and the ratio of the particle diameters at the two distribution centers is at least a ratio greater than 2 to 3. You can also. By doing so, it is possible to more reliably avoid the clogging of the carbon particles in the electrode.
[0013]
The gist of the power generation layer for the first fuel cell of the present invention is that the electrode for the first fuel cell of the present invention is bonded to both surfaces of the sheet-like electrolyte. According to the power generation layer for the first fuel cell of the present invention, the power generation efficiency can be further improved by using the electrode in which the gas is sufficiently supplied onto the catalyst supported on the carbon particles.
[0014]
The first fuel cell electrode production method of the present invention comprises:
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
(A) a particle adjustment step of adjusting carbon particles having at least two distribution centers of particle sizes;
(B) Of the carbon particles having the adjusted particle sizeThe carbon particles having a distribution center with a large particle size are used to form the bone of the electrode, and the carbon particles have a small particle size.A catalyst supporting step of supporting the catalyst on carbon particles having a distribution center;
(C) an ink adjustment step of adjusting the ink by dispersing the carbon particles adjusted by the particle adjustment step including the carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
(E) a drying step of drying the predetermined solvent contained in the formed electrode forming member;
The gist is to provide
[0015]
According to the first method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention,Among the carbon particles with the adjusted particle size, the carbon particles having the distribution center with the large particle size are used to form the bone of the electrode, and the catalyst is supported on the carbon particles having the distribution center with the small particle size among the carbon particles. The carbon particles are not tightly packed and carry the catalyst.An electrode can be manufactured. That is, it is possible to manufacture an electrode in which gas is sufficiently supplied onto the catalyst supported on the carbon particles.
[0016]
The method for producing a power generation layer for a first fuel cell according to the present invention includes:
A method for producing a power generation layer for a fuel cell, comprising:
(A) a particle adjustment step of adjusting carbon particles having at least two distribution centers of particle sizes;
(B) Of the carbon particles having the adjusted particle sizeThe carbon particles having a distribution center with a large particle size are used to form the bone of the electrode, and the carbon particles have a small particle size.A catalyst supporting step of supporting the catalyst on carbon particles having a distribution center;
(C) an ink adjustment step of adjusting the ink by dispersing the carbon particles adjusted by the particle adjustment step including the carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member on the sheet-like electrolyte with the adjusted ink;
(E) a drying step of drying the predetermined solvent contained in the electrode forming member formed on the electrolyte;
It is a summary to provide.
[0017]
According to the first method for producing a power generation layer for a fuel cell of the present invention,An electrode body is formed by carbon particles having a distribution center having a large particle size among the carbon particles, and a catalyst is supported on the carbon particles having a distribution center having a small particle size among the carbon particles. Not tightly packed,A power generation layer including an electrode to which gas is sufficiently supplied on a catalyst supported on carbon particles can be manufactured. That is, a power generation layer with good power generation efficiency can be manufactured.
[0018]
The electrode for the second fuel cell of the present invention is:
An electrode for a fuel cell,
Carbon particles of acetylene black in which secondary aggregates generated during carbon generation greatly contribute to bone formation;Catalyst is supported on the surfaceUsing both furnace black carbon particles with a large specific surface area.The gist is to provide a carbon particle structure having a predetermined size obtained by three-dimensionally bonding carbon particles.
[0019]
Electrode for the second fuel cell of the present inventionUses carbon particles of acetylene black, in which secondary aggregates generated during carbon generation greatly contribute to bone formation, and furnace black carbon particles having a large specific surface area carrying a catalyst on the surface,By forming the carbon particle structure having a predetermined size that is three-dimensionally bonded, it is possible to prevent the carbon particles in the electrode from becoming densely packed. As a result, a fine gas passage can be formed between the carbon particles, and the gas can be sufficiently supplied onto the catalyst supported on the carbon particles.
[0020]
In the second fuel cell electrode of the present invention, the predetermined size may be 0.5 μm to 10 μm. By so doing, a fine gas passage between the carbon particles can be more reliably formed.
[0021]
The gist of the power generation layer for the second fuel cell of the present invention is that the electrode for the second fuel cell of the present invention is bonded to both surfaces of the sheet-like electrolyte. According to the power generation layer for the second fuel cell of the present invention, the power generation efficiency can be further improved by using the electrode in which the gas is sufficiently supplied onto the catalyst supported on the carbon particles.
[0022]
The method for producing an electrode for a second fuel cell of the present invention comprises:
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
(A)Furnace black of large specific surface areaA structure forming step in which carbon particles are three-dimensionally bonded to form a carbon particle structure;
(B) a catalyst supporting step of supporting a catalyst on the formed carbon particle structure;
(C) a carbon particle structure carrying the catalyst;Acetylene black carbon particles that have large secondary aggregates during carbon formation and contribute to bone formationAn ink adjustment step of adjusting the ink by dispersing in a predetermined solvent;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
(E) a drying step of drying the predetermined solvent contained in the formed electrode forming member;
It is a summary to provide.
[0023]
According to the second method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention, an electrode in which carbon particles are not tightly packed can be produced. That is, it is possible to manufacture an electrode in which gas is sufficiently supplied onto the catalyst supported on the carbon particles.
[0024]
In the second method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention,
Step (a)
(A1) a structure adjusting solution adjusting step of adjusting the structure adjusting solution by dispersing carbon particles in a predetermined solvent;
(A2) a structure forming member forming step of drying a solvent in the adjusted structure adjusting solution to form a solid structure forming member;
(A3) a pulverizing step of pulverizing the formed structure-forming member to form a carbon particle structure;
It can also consist of.
[0025]
By doing so, it is possible to easily form a carbon particle structure having a predetermined size that is three-dimensionally bonded.
[0026]
The method for producing the power generation layer for the second fuel cell of the present invention is as follows.
A method for producing a power generation layer for a fuel cell, comprising:
(A)Furnace black of large specific surface areaA structure forming step in which carbon particles are three-dimensionally bonded to form a carbon particle structure;
(B) a catalyst supporting step of supporting a catalyst on the formed carbon particle structure;
(C) a carbon particle structure carrying the catalyst;Acetylene black carbon particles that have large secondary aggregates during carbon formation and contribute to bone formationAn ink adjustment step of adjusting the ink by dispersing in a predetermined solvent;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member on the sheet-like electrolyte with the adjusted ink;
(E) a drying step of drying the predetermined solvent contained in the electrode forming member formed on the electrolyte;
It is a summary to provide.
[0027]
According to the second method for producing a power generation layer for a fuel cell of the present invention, it is possible to produce a power generation layer including an electrode to which a gas is sufficiently supplied on a catalyst supported on carbon particles. That is, a power generation layer with good power generation efficiency can be manufactured.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a process diagram illustrating the production of a
[0029]
In the production of the
[0030]
Next, platinum particles as the catalyst P or fine particles of an alloy of platinum and another metal (in the embodiment, an average particle size of 3 nm) are supported on the surface of the catalyst supporting carbon particles C2 so as to be supported at a supporting density of 60 wt%. (Step S102), carbon particles C1 having an average particle diameter of 60 nm, zinc particles having an average particle diameter of 200 nm as a pore-forming agent Z, and a perfluorocarbon sulfonic acid solution having a solid content of 5 wt% (for example, Nafion manufactured by Aldrich Chemical Co., Ltd.) Solution), cyclohexanol is mixed at a ratio of 7: 3: 10: 60: 40, and irradiated with ultrasonic waves to form carbon particles C1 for bone formation, carbon particles C2 for catalyst support, and pore former Z. The paste-like ink is adjusted by dispersing (step S104). In addition, the dispersion | distribution by irradiation of an ultrasonic wave was performed by irradiating an ultrasonic wave with a frequency of 30 kHz to 50 kHz using the commercially available ultrasonic cleaning machine.
[0031]
Next, the paste-like ink is printed on a Teflon sheet by using a doctor blade type printing apparatus with a thickness of 30 μm to 500 μm, preferably 80 μm to 300 μm, thereby forming a sheet-like electrode forming member 17. (Step S106) The formed electrode forming member 17 is dried at room temperature for 1 hour in the atmosphere and vacuum dried for 3 hours at a temperature of 40 ° C. to 120 ° C., preferably 70 ° C. to 90 ° C. The solvent in the electrode forming member 17 is dried so as to be 1 μm to 100 μm, preferably 3 μm to 10 μm (step S108). Then, an
[0032]
The Teflon sheet is peeled off from the joined body of the
[0033]
Next, the
[0034]
The two
[0035]
The
[0036]
Fuel gas containing hydrogen and oxygen are provided in the
[0037]
Next, the performance of the
[0038]
Since the
[0039]
According to the
[0040]
According to the method of manufacturing the
[0041]
In the
[0042]
Further, in the
[0043]
In the
[0044]
In the
[0045]
Further, in the method for producing the
[0046]
The
[0047]
Next, a power generation layer 15B as a second embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described. FIG. 6 is a process diagram illustrating the production of the power generation layer 15B of the second embodiment, and FIG. 7 is a schematic view illustrating the outline of the structure of the power generation layer 15B manufactured by the process of FIG.
[0048]
The power generation layer 15B of the second embodiment is manufactured by first forming a carbon particle structure CS having a three-dimensional structure having a predetermined size for forming the catalyst electrode 14B (step S200). The formation of the carbon particle structure CS is performed based on the process diagram illustrated in FIG. That is, first, a substantially uniform furnace black having an average particle diameter of 20 nm used as the catalyst-supporting carbon particles C2 in the first embodiment is prepared as the carbon particles CB forming the carbon particle structure CS (step S220). Next, the prepared carbon particles CB, water-based polytetrafluoroethylene having a solid content of 60 wt%, a surfactant (polyethylene glycol-P-isooctylphenyl ether), and ion-exchanged water are mixed with 10: 3: 2. Is mixed at an important ratio of 500, and is dispersed and stirred for 15 minutes with an ultrasonic homogenizer with an output of 600 W, and further with a mechanical homogenizer with 10,000 rpm (step S222). The dispersion thus dispersed is filtered with a pressure filtration device (step S224), and the solid content separated by filtration is vacuum-dried at 120 ° C. for 3 hours to form a pellet-like solid (step S226). Next, the pellet-shaped solid is pulverized by a pulverizer (for example, a coffee mill) (step S228) and baked at a temperature of 320 ° C. for 5 hours in a nitrogen gas atmosphere (step S230). By such firing, the surfactant is removed by thermal decomposition, and the carbon particles CB are bound three-dimensionally with polytetrafluoroethylene as the binder D. Then, the binder is pulverized again by a pulverizer so that the size of the binder becomes about 1 μm to 5 μm (step S232), and a three-dimensional carbon particle structure CS having a size of 1 μm to 5 μm is obtained.
[0049]
On the surface of the carbon particle structure CS having a three-dimensional structure thus obtained, fine particles of platinum or an alloy of platinum and another metal (in the example, an average particle diameter of 2 nm) as the catalyst PB are supported at a supporting density of 50 wt%. (Step S202), a carbon particle structure CS supporting this catalyst, zinc particles having an average particle diameter of 200 nm as a pore-forming agent Z, and a perfluorocarbon sulfonic acid solution (for example, Aldrich) having a solid content of 5 wt%. (Chemical Nafion Solution) and cyclohexanol are mixed at a ratio of 1: 1: 6: 4 and irradiated with ultrasonic waves to form bone-forming carbon particles C1 and catalyst-supporting carbon particles C2 and The paste Z is dispersed by dispersing the pore Z (step S204). Also in the second example, dispersion by irradiation with ultrasonic waves was performed by irradiating ultrasonic waves with a frequency of 30 kHz to 50 kHz using a commercially available ultrasonic cleaner.
[0050]
Hereinafter, Steps S206 to S212 of the same steps as Steps S106 to S112 of FIG. 1 which are steps of manufacturing the
[0051]
Next, the fuel cell 10B is configured in the same manner as the fuel cell 10B including the
[0052]
Next, the performance of the thus configured fuel cell 10B will be described in comparison with a conventional fuel cell. The relationship between the current density and the voltage in the fuel cell 10B including the power generation layer 15B of the second embodiment is shown by a curve B in FIG.
[0053]
As described above, the
[0054]
According to the power generation layer 15B of the second embodiment described above, since the electrode forming member is formed by the carbon particle structure CS having a three-dimensional structure, the gas supply path that communicates with the pores formed by the pore forming agent ZB. The catalyst electrode 14B having a large amount of gas can be provided, and the performance can be remarkably improved as compared with the conventional power generation layer in a high current density region where the influence of gas supply is large. As a result, a fuel cell with better performance can be configured by using such a power generation layer 15B.
[0055]
According to the method for producing the power generation layer 15B of the second embodiment, the electrode forming member is formed using the carbon particle structure CS having a three-dimensional structure, so that the fine particles formed by the pore forming agent ZB are formed between the carbon particles. The power generation layer 15B including the catalyst electrode 14B having many gas supply paths communicating with the holes can be manufactured. As a result, a fuel cell with better performance can be manufactured by using the power generation layer 15B thus manufactured.
In addition, in the power generation layer 15B of the second example and the manufacturing method thereof, the carbon particle structure CS is formed by binding the carbon particles CB three-dimensionally with polytetrafluoroethylene as the binder D. Any other binder may be used as long as the particles can be bound three-dimensionally.
[0056]
Further, in the power generation layer 15B of the second embodiment and the manufacturing method thereof, furnace carbon black having an average particle diameter of 20 nm is used to form a three-dimensional carbon particle structure.It was.
[0057]
In the method for producing the power generation layer 15B of the second embodiment, after firing to obtain the carbon particle structure CS, it was pulverized again by a pulverizer, but the size of the binder obtained by calcination was about 1 μm to 5 μm. If so, there may be no re-grinding step.
[0058]
Even in the method of manufacturing the power generation layer 15B of the second embodiment, the sheet-like electrode forming member is formed by printing the paste-adjusted ink on the Teflon sheet using a doctor blade type printing device. Alternatively, it may be formed by printing directly on the electrolyte membrane 12B by screen printing or the like, or may be formed by various methods such as spraying on the Teflon sheet or the electrolyte membrane 12B by spraying.
[0059]
As described above, the power generation layer 15B of the second embodiment and the method of manufacturing the power generation layer 15B have been described. Of the manufacturing processes of the power generation layer 15B, the step of joining the electrolyte membrane 12B and the electrode forming member (step S210 in FIG. 6). By removing the carbon particle structure CS having a three-dimensional structure, it is possible to manufacture the catalyst electrode 14B having a large number of gas supply paths communicating with the pores formed by the pore-forming agent ZB between the carbon particles. . The catalyst electrode 14B manufactured in this way has many gas supply paths that communicate with the pores formed by the pore-forming agent ZB, and thus becomes an electrode with high gas supply capability. Therefore, by using this catalyst electrode 14B, a power generation layer with higher performance can be formed, and a fuel cell with higher performance can be configured. Of course, according to the method of manufacturing the catalyst electrode 14B, it is possible to manufacture a catalyst electrode having many gas supply paths communicating with the pores. In addition, since it is only a process of step S210 of FIG. 6 about the mode of manufacture of this catalyst electrode 14B, it cannot be overemphasized that description beyond this is required.
[0060]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, Of course, in the range which does not deviate from the summary of this invention, it can implement with a various form. It is.
[0061]
For example, a catalyst electrode using a structure in which the first embodiment and the second embodiment are applied simultaneously, that is, a carbon particle structure in which carbon particles having different average particle diameters are three-dimensionally bound by a binder. Or a power generation layer, or a catalyst electrode or a power generation layer including such a carbon particle structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram illustrating the production of a
2 is a schematic view illustrating the outline of the structure of a
FIG. 3 is a schematic view illustrating the configuration of a
FIG. 4 is a graph illustrating the relationship between current density and voltage in a
FIG. 5 is an enlarged schematic view showing an outline of the structure of a power generation layer 15C of a conventional fuel cell.
6 is a process diagram illustrating the production of a power generation layer 15B according to a second embodiment of the invention. FIG.
7 is a schematic view illustrating the outline of the structure of a power generation layer 15B manufactured by the process of FIG. 1;
FIG. 8 is a process diagram illustrating the formation of a carbon particle structure CS.
[Explanation of symbols]
10. Fuel cell
12 ... electrolyte membrane
14 ... Catalytic electrode
15 ... Power generation layer
16 ... Gas diffusion electrode
17 ... Electrode forming member
20 ... collector electrode
22 ... Ribs
24 ... Flow path
C1 ... carbon particles
C2 ... carbon particles
CS: Carbon particle structure
D ... Binder
P ... Catalyst
S ... Supply path
Z ... pore former
Claims (11)
粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を備え、
前記カーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成し、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させてなる
電極。An electrode for a fuel cell,
Comprising carbon particles having at least two particle size distribution centers;
An electrode in which a bone of an electrode is formed by carbon particles having a distribution center having a large particle size among the carbon particles, and a catalyst is supported on the carbon particles having a distribution center having a small particle size among the carbon particles.
前記カーボン粒子は、2つの分布中心を有し、
該2つの分布中心における粒径の比は少なくとも2対3より大きい比である
電極。An electrode for a fuel cell according to claim 1,
The carbon particles have two distribution centers,
An electrode in which the ratio of particle sizes at the two distribution centers is at least a ratio greater than 2 to 3.
(a)粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を調整する粒子調整工程と、
(b)該粒径の調整されたカーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成用すると共に、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子を含めて前記粒子調整工程により調整されたカーボン粒子を所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備える電極の製造方法。A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
(A) a particle adjustment step of adjusting carbon particles having at least two distribution centers of particle sizes;
(B) A carbon particle having a distribution center with a small particle size among the carbon particles, wherein the carbon particles having an adjusted particle size are used to form a bone body of the electrode with carbon particles having a distribution center with a large particle size. A catalyst supporting step of supporting the catalyst on
(C) an ink adjustment step of adjusting the ink by dispersing the carbon particles adjusted in the particle adjustment step including the carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
(E) A method for manufacturing an electrode comprising: a drying step of drying the predetermined solvent contained in the formed electrode forming member.
(a)粒径の分布中心を少なくとも2つ有するカーボン粒子を調整する粒子調整工程と、
(b)該粒径の調整されたカーボン粒子のうち粒径の大きな分布中心を有するカーボン粒子により電極の骨体を形成用すると共に、前記カーボン粒子のうち粒径の小さな分布中心を有するカーボン粒子に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子を含めて前記粒子調整工程により調整されたカーボン粒子を所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電解質上にシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該電解質上に形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備える発電層の製造方法。A method for producing a power generation layer for a fuel cell, comprising:
(A) a particle adjustment step of adjusting carbon particles having at least two distribution centers of particle sizes;
(B) A carbon particle having a distribution center with a small particle size among the carbon particles, wherein the carbon particles having an adjusted particle size are used to form an electrode body with carbon particles having a distribution center with a large particle size. A catalyst supporting step of supporting the catalyst on
(C) an ink adjustment step of adjusting the ink by dispersing the carbon particles adjusted by the particle adjustment step including the carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member on the sheet-like electrolyte with the adjusted ink;
(E) A method for producing a power generation layer comprising: a drying step of drying the predetermined solvent contained in the electrode forming member formed on the electrolyte.
カーボン生成時に生じる2次凝集体が大きく骨体形成に寄与するアセチレンブラックのカーボン粒子と、表面に触媒を担持した比表面積の大きなファーネスブラックのカーボン粒子とを用い、両カーボン粒子を3次元構造的に接着させてなる所定サイズのカーボン粒子構造体
を備える電極。An electrode for a fuel cell,
Using carbon particles of acetylene black, which has a large secondary aggregate generated during carbon formation and contributes to bone formation, and furnace black carbon particles with a large specific surface area carrying a catalyst on the surface , both carbon particles are three-dimensionally structured. An electrode provided with a carbon particle structure of a predetermined size that is adhered to the electrode.
(a)比表面積の大きなファーネスブラックのカーボン粒子を3次元構造的に接着させてカーボン粒子構造体を形成する構造体形成工程と、
(b)該形成されたカーボン粒子構造体に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子構造体と、カーボン生成時に生じる2次凝集体が大きく、骨体形成に寄与するアセチレンブラックのカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備える電極の製造方法。A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
(A) a structure forming step in which furnace black carbon particles having a large specific surface area are three-dimensionally bonded to form a carbon particle structure;
(B) a catalyst supporting step of supporting a catalyst on the formed carbon particle structure;
(C) Ink which adjusts ink by dispersing carbon particle structure supporting the catalyst and carbon particles of acetylene black, which have a large secondary aggregate generated during carbon generation and contribute to bone formation, in a predetermined solvent. Adjustment process;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
(E) A method for manufacturing an electrode comprising: a drying step of drying the predetermined solvent contained in the formed electrode forming member.
ステップ(a)は、
(a1)カーボン粒子を所定の溶媒に分散させて構造体調整溶液を調整する構造体調整溶液調整工程と、
(a2)該調整された構造体調整溶液中の溶媒を乾燥させて固形の構造体形成部材を形成する構造体形成部材形成工程と、
(a3)該形成された構造体形成部材を粉砕してカーボン粒子構造体を形成する粉砕工程と
からなる電極の製造方法。A method for producing an electrode for a fuel cell according to claim 9,
Step (a)
(A1) a structure adjusting solution adjusting step of adjusting the structure adjusting solution by dispersing carbon particles in a predetermined solvent;
(A2) a structure forming member forming step of drying a solvent in the adjusted structure adjusting solution to form a solid structure forming member;
(A3) An electrode manufacturing method comprising a pulverizing step of pulverizing the formed structure forming member to form a carbon particle structure.
(a)比表面積の大きなファーネスブラックのカーボン粒子を3次元構造的に接着させてカーボン粒子構造体を形成する構造体形成工程と、
(b)該形成されたカーボン粒子構造体に触媒を担持させる触媒担持工程と、
(c)該触媒を担持したカーボン粒子構造体と、カーボン生成時に生じる2次凝集体が大きく、骨体形成に寄与するアセチレンブラックのカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
(d)該調整されたインクによりシート状の電解質上にシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
(e)該電解質上に形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と
を備える発電層の製造方法。A method for producing a power generation layer for a fuel cell, comprising:
(A) a structure forming step in which furnace black carbon particles having a large specific surface area are three-dimensionally bonded to form a carbon particle structure;
(B) a catalyst supporting step of supporting a catalyst on the formed carbon particle structure;
(C) Ink which adjusts ink by dispersing carbon particle structure supporting the catalyst and carbon particles of acetylene black, which have a large secondary aggregate generated during carbon generation and contribute to bone formation, in a predetermined solvent. Adjustment process;
(D) an electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member on the sheet-like electrolyte with the adjusted ink;
(E) A method for producing a power generation layer comprising: a drying step of drying the predetermined solvent contained in the electrode forming member formed on the electrolyte.
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