JP2006140087A - Membrane electrode assembly and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】 特に、燃料電池の負荷変動時あるいは起動停止時における発電性能の低下を防止した膜電極接合体及び燃料電池を提供する。
【解決手段】 電解質膜(固体高分子電解質膜2)と、電解質膜(固体高分子電解質膜2)の両面側に配置された燃料極5及び酸化剤極4と、燃料極5及び酸化剤極4の両面側に配置されたガス拡散層7,9と、電解質膜2と少なくとも燃料極5又は酸化剤極4のいずれか一方の電極との間に配置されて、触媒金属イオンの拡散を防止すると共に、触媒金属イオンを還元する触媒金属イオン拡散防止手段3と、を有することを特徴とする。
【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly and a fuel cell, in particular, which prevent a decrease in power generation performance when the load of the fuel cell is fluctuated or started and stopped.
SOLUTION: An electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane 2), a fuel electrode 5 and an oxidizer electrode 4 disposed on both sides of the electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane 2), a fuel electrode 5 and an oxidizer electrode. 4 is disposed between the gas diffusion layers 7 and 9 disposed on both sides of the electrode 4 and the electrolyte membrane 2 and at least one of the fuel electrode 5 and the oxidant electrode 4 to prevent diffusion of catalyst metal ions. And catalytic metal ion diffusion preventing means 3 for reducing catalytic metal ions.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、特に、固体高分子型燃料電池に適用される膜電極接合体及び燃料電池に関する。 The present invention particularly relates to a membrane electrode assembly and a fuel cell applied to a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスを用いて、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる装置であり、低公害かつ発電効率が高いため、近年、特に注目を集めている。自動車業界においても、内燃機関に代えて作動するモータ用の電源として燃料電池を利用する気運が急速に高まっている。自動車搭載用の燃料電池は、小型化かつ高出力化が要求されるため、各種燃料電池の中でも、特に、固体高分子型燃料電池の研究開発が進められている。 BACKGROUND ART A fuel cell is a device that generates power by reacting hydrogen gas with an oxidant gas using a fuel gas such as hydrogen gas, and has recently attracted particular attention because of its low pollution and high power generation efficiency. In the automobile industry, there is a rapid increase in the use of fuel cells as a power source for motors that operate in place of internal combustion engines. Since fuel cells for use in automobiles are required to be smaller and have higher output, research and development of solid polymer fuel cells are being promoted among various types of fuel cells.
固体高分子型燃料電池は、発電の最小単位となる単位セル(単セル)を複数個積層した燃料電池スタックから構成される。単セルは、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化剤電極とを配置して膜電極接合体(MEA)を構成し、さらに、膜電極接合体の両面に各々セパレータを形成している。燃料電極及び酸化剤電極は、触媒層とガス拡散層との2層構造を有し、触媒層は固体高分子電解質膜と接している。 A polymer electrolyte fuel cell is composed of a fuel cell stack in which a plurality of unit cells (single cells) serving as a minimum unit of power generation are stacked. In the single cell, a fuel electrode and an oxidant electrode are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly (MEA), and separators are formed on both sides of the membrane electrode assembly. . The fuel electrode and the oxidant electrode have a two-layer structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer, and the catalyst layer is in contact with the solid polymer electrolyte membrane.
上記固体高分子型燃料電池においては、セパレータに形成されたガス流路から燃料ガスと酸化剤ガスとが導入されると、燃料電極及び酸化剤電極において、化学式1及び化学式2に示す反応が進行する。
In the polymer electrolyte fuel cell, when the fuel gas and the oxidant gas are introduced from the gas flow path formed in the separator, the reactions shown in
[燃料電極側] H2 → 2H+ + 2e- …化学式1
[酸化剤電極側] 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O + Q (反応熱) …化学式2
電池全体としては、化学式3に示す反応が進行して起電力が生じ、外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
Fuel electrode side] H 2 → 2H + + 2e - ...
[Oxidant electrode side] 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O + Q (heat of reaction)…
As the entire battery, the reaction shown in Chemical Formula 3 proceeds to generate an electromotive force, and electrical work is performed on an external load.
[電池全体] H2 + 1/2O2 → H2O + Q (反応熱) …化学式3
化学式1と化学式2に示す反応は、各電極の触媒層中に存在する触媒金属(白金(Pt))と、発生したプロトンと、電子伝導物質と、の三相界面において進行する。そして、燃料電池を運転すると、酸化剤極触媒層中の触媒金属(例えば、Pt)の一部が酸化されてイオン化し(Pt2+)、また、燃料極触媒層中の触媒金属(Pt、RuあるいはPtとRuの合金)の一部も酸化されて同様にイオン化する(Pt2+、Ru2+)。特に、燃料電池の負荷変動時あるいは起動停止時には、触媒金属の溶解が進行してイオン化し易くなる。イオン化した触媒金属イオン(Pt2+、Ru2+)は、濃度拡散によって固体高分子電解質膜側に移動するため、燃料電池を長期に亘り運転すると、酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層から触媒金属イオンが多量に溶出し、溶出した触媒金属イオンは固体高分子電解質膜側に拡散してしまう。この結果、三相界面が形成される割合が減少していた。
[Whole battery] H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O + Q (heat of reaction) ...
The reactions shown in Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2 proceed at the three-phase interface of the catalytic metal (platinum (Pt)), the generated protons, and the electron conducting material present in the catalyst layer of each electrode. When the fuel cell is operated, a part of the catalyst metal (for example, Pt) in the oxidant electrode catalyst layer is oxidized and ionized (Pt 2+ ), and the catalyst metal (Pt, A part of Ru or an alloy of Pt and Ru is oxidized and similarly ionized (Pt 2+ , Ru 2+ ). In particular, when the load of the fuel cell changes or when the fuel cell is started and stopped, dissolution of the catalyst metal proceeds to facilitate ionization. Since the ionized catalytic metal ions (Pt 2+ , Ru 2+ ) move to the solid polymer electrolyte membrane side by concentration diffusion, when the fuel cell is operated for a long period of time, the oxidant electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer A large amount of catalytic metal ions are eluted, and the eluted catalytic metal ions diffuse to the solid polymer electrolyte membrane side. As a result, the rate at which a three-phase interface was formed decreased.
従来、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の空隙部に固体高分子電解質樹脂を含有させた固体高分子電解質膜を電極(燃料電極、酸化剤電極)表面に形成し、電極と複合高分子固体電解質膜とを一体化した膜電極接合体が開示されている(特許文献1参照)。本膜電極接合体によれば、燃料電極あるいは酸化剤電極の各電極から溶出した触媒金属イオン(Pt2+、Ru2+)が、固体高分子電解質中のPTFEが存在する位置で還元される傾向を有していた。
しかしながら、上述した膜電極接合体において、PTFEは、固体高分子膜中の膜厚方向における任意の箇所に存在するため、各電極から溶出した触媒金属イオン(Pt2+、Ru2+)は、主に固体高分子膜中において還元されて、電極近傍において還元されるものではなかった。このため、燃料電極及び酸化剤電極の各電極から溶出した触媒金属イオン(Pt2+、Ru2+)を還元した上で、再度、触媒金属(Pt、Ru)により三相界面を形成することは難しかった。この結果、燃料電池を長期に亘り運転すると、電極中の金属触媒の減少に伴い燃料電池の発電性能が低下する恐れを有していた。特に、燃料電池の負荷変動時あるいは起動停止時には、触媒金属の溶解が進行し易くなるため、燃料電池の発電性能が著しく低下する恐れを有していた。 However, in the membrane electrode assembly described above, PTFE exists at an arbitrary position in the film thickness direction in the solid polymer membrane, so that the catalyst metal ions (Pt 2+ , Ru 2+ ) eluted from each electrode are It was mainly reduced in the solid polymer film and not in the vicinity of the electrode. For this reason, after reducing catalytic metal ions (Pt 2+ , Ru 2+ ) eluted from each electrode of the fuel electrode and oxidant electrode, again form a three-phase interface with the catalytic metal (Pt, Ru). Was difficult. As a result, when the fuel cell is operated for a long period of time, the power generation performance of the fuel cell may be lowered with the decrease of the metal catalyst in the electrode. In particular, when the load of the fuel cell fluctuates or starts and stops, melting of the catalyst metal easily proceeds, so that the power generation performance of the fuel cell may be significantly reduced.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両面側に配置された燃料極及び酸化剤極と、燃料極及び前記酸化剤極の両面側に配置されたガス拡散層と、電解質膜と少なくとも燃料極又は酸化剤極のいずれか一方の電極との間に配置されて、触媒金属イオンの拡散を防止すると共に、触媒金属イオンを還元する触媒金属イオン拡散防止手段と、を有することを要旨とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. That is, the membrane electrode assembly of the present invention includes an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxidizer electrode disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a fuel. Gas diffusion layers disposed on both sides of the electrode and the oxidant electrode, and between the electrolyte membrane and at least one electrode of the fuel electrode or the oxidant electrode, prevent diffusion of catalyst metal ions And a catalyst metal ion diffusion preventing means for reducing the catalyst metal ion.
本発明の燃料電池は、電解質膜の両面側に燃料極及び酸化剤極が配置され、燃料極及び酸化剤極の両面側に各々ガス拡散層が配置され、電解質膜と少なくとも燃料極又は酸化剤極のいずれか一方の電極との間に配置されて、触媒金属イオンの溶出を防止すると共に、触媒金属イオンを還元する触媒金属イオン拡散防止手段を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の面側に配置された燃料極側セパレータと、膜電極接合体の他方の面側に配置された酸化剤極側セパレータと、を備えることを要旨とする。 In the fuel cell of the present invention, the fuel electrode and the oxidant electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane, the gas diffusion layers are disposed on both sides of the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively, and the electrolyte membrane and at least the fuel electrode or the oxidant are disposed. A membrane electrode assembly that is disposed between any one of the electrodes to prevent elution of the catalyst metal ions and has a catalyst metal ion diffusion preventing means for reducing the catalyst metal ions; The gist is to include a fuel electrode side separator disposed on one surface side and an oxidant electrode side separator disposed on the other surface side of the membrane electrode assembly.
本発明の膜電極接合体によれば、電極から溶出した触媒金属イオンを電極近傍において還元することにより、還元した一部の触媒金属を発電反応に利用して、発電性能の低下を防止することができる。 According to the membrane electrode assembly of the present invention, by reducing catalytic metal ions eluted from the electrode in the vicinity of the electrode, a part of the reduced catalytic metal is used for a power generation reaction, thereby preventing a decrease in power generation performance. Can do.
本発明の燃料電池によれば、触媒金属を発電反応に再利用することにより、発電性能の低下を防ぐことができる。 According to the fuel cell of the present invention, it is possible to prevent a decrease in power generation performance by reusing the catalyst metal for a power generation reaction.
以下、本発明の実施形態に係る膜電極接合体について、固体高分子電解質型燃料電池に適用した例を挙げて説明する。 Hereinafter, the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention will be described with reference to an example applied to a solid polymer electrolyte fuel cell.
第1実施形態(図1〜図5)
第1実施形態では、固体高分子型電解質膜と酸化剤ガス拡散電極との間、及び固体高分子型電解質膜と燃料ガス拡散電極との間の両方に触媒金属イオン拡散防止手段を設けた膜電極接合体について、説明する。
1st Embodiment (FIGS. 1-5)
In the first embodiment, a membrane in which catalytic metal ion diffusion preventing means is provided both between the solid polymer electrolyte membrane and the oxidant gas diffusion electrode and between the solid polymer electrolyte membrane and the fuel gas diffusion electrode. The electrode assembly will be described.
図1は、本発明の実施形態に係る固体高分子電解質型燃料電池の膜電極接合体の構成を示す断面図である。図1に示すように、膜電極接合体1は、固体高分子電解質膜2の一方の面側に、触媒金属イオン拡散防止手段3を介して酸化剤電極4を配置し、固体高分子電解質膜2の他方の面側も同様に、触媒金属イオン拡散防止手段3を介して燃料ガス電極5を配置している。酸化剤電極4は、固体高分子電解質膜2側から酸化剤極触媒層6とガス拡散層7とを積層し、燃料ガス電極5は、固体高分子電解質膜2側から燃料極触媒層8とガス拡散層9とを積層している。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a membrane electrode assembly of a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
図1に示す膜電極接合体1の酸化剤極触媒層6近傍の拡大図を図2に示す。図2に示すように、触媒金属イオン拡散防止手段3は、基材であるメッシュ状に編まれたPTFE (Poly tetra-fluoro Ethylene)繊維10と、PTFE繊維10表面に被覆された還元剤である界面活性剤11と、により構成される。なお、図2に示す断面図では、PTFE繊維10が個別に独立して存在しているように見えるが、実際のPTFE繊維10は、メッシュ状に編まれて面状態でつながっている。触媒金属イオン拡散防止手段3の近傍には、固体高分子電解質膜2とほぼ同一の成分であり、スルフォン酸基を有する材料の電解質成分12が存在し、酸化剤極触媒層8中に含まれる電解質成分と固体高分子電解質膜2とをつなぐプロトンパスを形成している。
FIG. 2 shows an enlarged view of the vicinity of the oxidant
酸化剤電極4側の触媒金属イオン拡散防止手段3は、酸化剤極触媒層6までの距離を1μm以下に配置することが好ましい。後で詳細に説明するが、酸化剤極触媒層6から溶出した触媒金属イオンは、水素により還元された後、再度、触媒金属となるが、還元された触媒金属は金属結晶の塊となり数十nm〜数百nmのサイズとなることが多い。このため還元された触媒金属を酸化剤極触媒層6で再利用するために、触媒金属イオン拡散防止手段3と酸化剤極触媒層6との距離を1μm以下に狭めて、還元により再結晶化した触媒金属を有効利用し易くするものである。
The catalyst metal ion
図1に示す膜電極接合体1の燃料極触媒層8近傍の拡大図を図3に示す。図2に示した触媒金属イオン拡散防止手段3と同様に、図3に示す触媒金属イオン拡散防止手段3は、基材であるメッシュ状に編まれたPTFE 繊維10と、PTFE繊維10表面に被覆された還元剤である界面活性剤11と、により構成される。
An enlarged view of the vicinity of the fuel
基材としては、PTFE (Poly tetra-fluoro Ethylene)繊維、PVDF (Polyvinylidene Fluoride)等の他にも、後述するカーボン繊維などの導電性材料を使用することができる。 As the base material, in addition to PTFE (Poly tetra-fluoro Ethylene) fiber, PVDF (Polyvinylidene Fluoride), etc., conductive materials such as carbon fiber described later can be used.
還元剤としては、主に界面活性剤等を使用することができる。界面活性剤は、カチオン性、非イオン性、アニオン性のいずれも使用できるが、その種類は問わない。 As the reducing agent, a surfactant or the like can be mainly used. As the surfactant, any of cationic, nonionic and anionic can be used, but the kind thereof is not limited.
電解質成分12は、固体高分子電解質膜2とほぼ同一の成分であり、スルフォン酸基を有する材料から形成される。
The
固体高分子電解質膜2は、デュポン(株)社製のナフィオン(登録商標)から形成される。
The solid
酸化剤極触媒層6は、カーボン繊維上に触媒金属として白金(Pt)を担持して、電解質成分を含有させた材料から形成される。
The oxidant
燃料極触媒層8は、カーボン繊維上に触媒金属として白金(Pt)とルテニウム(Ru)の合金を担持して、電解質成分を含有させた材料から形成される。触媒金属としてPt以外にRuを含めた理由は、一酸化炭素(CO)によるPt被毒を防止するためである。例えば、酸化剤極触媒層6と同様に、燃料極触媒層8の触媒金属としてPtのみを使用した場合は、炭化水素系の燃料を改質して得られたH2を主成分とした燃料ガスを燃料ガス電極5に供給すると、燃料ガス中に含まれるCOがPtに吸着して、水素酸化反応が阻害されて発電性能が低下してしまう。これに対し、Ruを含有させたPtとRuの合金を触媒金属として使用することにより、CO がPtへの吸着を抑制し、Pt のCO被毒を防止することができる。
The fuel
[膜電極接合体の製造方法]
本実施の形態に係る膜電極接合体の製造方法について説明する。まず、既存の固体高分子電解質膜を準備する。次に、図示しない樹脂シート上に酸化剤極触媒材料を塗布した後、乾燥して酸化剤極触媒層6を作製する。同様に、図示しない樹脂シート上に燃料極触媒材料を塗布した後、乾燥して燃料極触媒層8を作製する。また、メッシュ状に形成したPTFE繊維10表面に界面活性剤11を被覆して触媒金属イオン拡散防止手段3を形成した後、電解質溶液を塗布したものを作製する。その後、電解質溶液を塗布した触媒金属イオン拡散防止手段3の両面側に、酸化剤極触媒層6と燃料極触媒層8とを挟み、ホットプレスして膜電極接合体とする。ホットプレスの処理条件は、プレス圧力2MPa、温度130℃〜150℃、時間5〜10分程度とした。
[Production method of membrane electrode assembly]
A method for manufacturing a membrane electrode assembly according to the present embodiment will be described. First, an existing solid polymer electrolyte membrane is prepared. Next, an oxidant electrode catalyst material is applied on a resin sheet (not shown), and then dried to produce the oxidant
このように、予めPTFE繊維10表面に界面活性剤11を被覆しておくことにより、固体高分子電解質膜2と酸化剤電極4及び燃料ガス電極5とを一体化する際、触媒金属イオン拡散防止手段3を挟んだ状態で簡単に一体化形成することができる。この結果、膜電極接合体を簡素かつ高精度に製造することができ、膜電極接合体を複数積層した燃料電池スタックを容易に製造することができる。なお、ホットプレスの条件等により、触媒金属イオン拡散防止手段3としてのPTFE繊維10の一部が酸化剤極触媒層6又は燃料極触媒層8に食い込む構造となる場合もあるが、PTFE繊維10が酸化極触媒層6又は燃料極触媒層8に食い込んだ場合であっても同様の効果が得られる。
Thus, when the surface of the
次に、燃料電池の所定時間運転後における膜電極接合体の様子について、図4及び図5に基づき説明する。なお、図4は、酸化剤極触媒層6側のイメージ図であり、図5は、燃料極触媒層8側のイメージ図である。
Next, the state of the membrane electrode assembly after the fuel cell has been operated for a predetermined time will be described with reference to FIGS. 4 is an image diagram on the oxidant
燃料電池の運転により、酸化剤極触媒層6に存在するPtの一部が酸化されて金属イオン化した状態(Pt2+)となり、Pt2+は、濃度拡散により固体高分子電解質膜2側に移動する。しかし、酸化剤極触媒層6と固体高分子電解質膜2との間に触媒金属イオン拡散防止手段3を挟んだため、物理的に通路が狭まり、触媒金属イオン拡散防止手段3よりも酸化剤極触媒層6側の位置のPt2+の濃度が高まる。なお、Pt等に代表される触媒の溶解は、酸化剤極の電位又は温度等の環境条件に応じて、その溶解速度が異なるが、燃料電池の負荷変動時や起動停止時には、特に溶解が進行し易くなり、前述した反応が起こり易くなる。特に、酸化剤電極4は、空気雰囲気下に曝されて、常に約0.5V〜1.2V程度の高電位環境下にあるため、触媒金属イオンが溶出し易いが、燃料電池の停止時には、燃料ガス電極側に空気が進入すると燃料極側の電位も上昇することになる。
Due to the operation of the fuel cell, a part of Pt existing in the oxidant
一方、燃料極触媒層8に存在するPtとRuの合金についても、燃料電池の運転により、その一部が酸化されて金属イオン化した状態(Pt2+、Ru2+)となり、Pt2+とRu2+は、濃度拡散により固体高分子電解質膜2側に移動する。触媒としてPtとRuの合金を使用した場合、PtよりもRuの方が酸化され易く、Ptは酸化され難いが、燃料電池の停止保管時に燃料極触媒層8側に空気が入り込むと、Ptの一部が酸化されて金属イオン化する(Pt2+)。また、酸化剤極4側と同様に、燃料極触媒層8側の固体高分子電解質膜2と燃料極側触媒層8との間に、触媒金属イオン拡散防止手段3を挟む構成としたため、物理的に通路が狭まり、触媒金属イオン拡散防止手段3よりも燃料極触媒層8側におけるPt2+ とRu2+の濃度が高まる。
On the other hand, an alloy of Pt and Ru existing in the fuel
さらに、膜電極接合体1では、図示しないがクロスオーバ現象が発生する。クロスオーバとは、燃料ガス電極5側に存在する水素が、固体高分子電解質膜2中で溶解、拡散して酸化剤電極4側に移動する現象である。固体高分子電解質膜2中に溶解した水素は、以下に説明するように、金属イオン(Pt2+あるいはPt2+とRu2+)の一部と反応して、プロトンと還元された金属(酸化剤電極4側ではPt、燃料ガス電極5側ではPtとRu)とが生じる。
Further, in the
図4に示すように、酸化剤電極4側の触媒金属イオン拡散防止手段3近傍には、水素により還元された触媒金属A(Pt)と触媒金属B(Pt)とが存在する。なお、固体高分子電解質膜2中の他の領域においても金属イオン(Pt2+)が還元されるが、PTFE繊維10表面に界面活性剤11が存在するため、特に、触媒金属イオン拡散防止手段3近傍で金属イオン(Pt2+)が水素により還元され易い。還元された触媒金属B(Pt)は、電解質成分及び固体高分子電解質膜2中に存在し酸化剤極触媒層6と接触しておらず、電子移動のパスが形成されない。このため、還元された触媒金属Bに酸素が供給されず、酸素還元反応が進行しない。これに対して、酸化剤極触媒層6近傍で還元された触媒金属Aは、酸化剤極触媒層6と接触して電子移動のパスが形成されている。このため、還元された触媒金属B(Pt)に酸素が供給されて酸素還元反応が進行して発電に寄与することができる。
As shown in FIG. 4, catalytic metal A (Pt) and catalytic metal B (Pt) reduced by hydrogen exist in the vicinity of the catalytic metal ion
一方、燃料ガス電極5側においても、水素と、金属イオンの一部(Pt2+、Ru2+)が反応して、プロトン(H+)と還元された金属(Pt、Ru)とが生じる。なお、触媒金属イオン拡散防止手段3近傍には、PTFE繊維10表面に界面活性剤11が存在するため、特に、触媒金属イオン(Pt2+、Ru2+)が水素により還元されやすい。このため、図5に示すように、燃料ガス電極5側の触媒金属イオン拡散防止手段3近傍には、還元された金属触媒E(Pt、Ru)及び金属触媒F(Pt、Ru)が存在する。還元された金属触媒F(Pt、Ru)は、電解質成分中及び固体高分子電解質膜2中に存在し、燃料極触媒層8と電子移動のパスが形成されていない。このため、発電時に燃料極触媒層8と同様の酸化還元の働きをすることができない。一方、還元された金属触媒E(Pt、Ru)は、燃料極触媒層8近傍に存在し、燃料極触媒層8との接触により電子移動のパスが形成されている。このため、水素が行き渡ると水素酸化反応が進行して、発電に寄与することができる。さらに、還元された触媒金属E, Fに水素以外のCOが行き渡った場合でも、Ruが存在するためCOへのPt吸着を防ぐことができ、水素酸化反応が生じて発電に寄与することができる。なお、金属触媒E, Fは、PtとRuとの合金でない場合でも良い。
On the other hand, also on the fuel gas electrode 5 side, hydrogen and a part of metal ions (Pt 2+ , Ru 2+ ) react to produce protons (H + ) and reduced metals (Pt, Ru). . Since the
本実施形態によれば、固体高分子電解質膜と酸化剤極触媒層との間に触媒金属イオン拡散防止手段を設けたため、酸化剤極の触媒溶解による性能劣化を抑制することができる。また、本実施形態によれば、固体高分子型電解質膜と燃料ガス拡散電極との間に触媒金属イオン拡散防止手段を設けたため、燃料極の触媒溶解に起因して生じやすいCO被毒の影響による性能劣化を抑制することができる。この結果、イオン伝導性が良好で、接触抵抗が低いため、高性能かつ耐久性に優れた燃料電池を提供することができる。 According to this embodiment, since the catalyst metal ion diffusion preventing means is provided between the solid polymer electrolyte membrane and the oxidant electrode catalyst layer, it is possible to suppress performance degradation due to the dissolution of the oxidant electrode catalyst. Further, according to the present embodiment, since the catalytic metal ion diffusion preventing means is provided between the solid polymer electrolyte membrane and the fuel gas diffusion electrode, the influence of CO poisoning that is likely to occur due to catalyst dissolution of the fuel electrode. It is possible to suppress the performance deterioration due to. As a result, since the ion conductivity is good and the contact resistance is low, it is possible to provide a fuel cell having high performance and excellent durability.
なお、本実施の形態では、固体高分子型電解質膜と酸化剤ガス拡散電極との間、及び固体高分子型電解質膜と燃料ガス拡散電極との間の両方に、触媒金属イオン拡散防止手段を設けた膜電極接合体を例示したが、本構成に限定されず、いずれか一方に触媒金属イオン拡散防止手段を設けて膜電極接合体を構成しても良い。例えば、固体高分子型電解質膜と酸化剤ガス拡散電極との間に触媒金属イオン拡散防止手段を設けた膜電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池では、燃料として純水素を使用する水素式燃料電池システムとして適用することにより、最大限の効果を発揮することができる。 In the present embodiment, catalytic metal ion diffusion preventing means is provided both between the solid polymer electrolyte membrane and the oxidant gas diffusion electrode and between the solid polymer electrolyte membrane and the fuel gas diffusion electrode. Although the provided membrane electrode assembly is illustrated, the present invention is not limited to this configuration, and the membrane electrode assembly may be configured by providing a catalyst metal ion diffusion preventing means in one of them. For example, in a polymer electrolyte fuel cell using a membrane electrode assembly in which catalytic metal ion diffusion prevention means is provided between a polymer electrolyte membrane and an oxidant gas diffusion electrode, hydrogen using pure hydrogen as a fuel is used. By applying as a fuel cell system, the maximum effect can be achieved.
また、固体高分子型電解質膜と酸化剤ガス拡散電極との間に触媒金属イオン拡散防止手段を設けた膜電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池は、改質システムを有する燃料電池システムとして適用することが好ましい。 A polymer electrolyte fuel cell using a membrane electrode assembly provided with a catalyst metal ion diffusion preventing means between a polymer electrolyte membrane and an oxidant gas diffusion electrode is a fuel cell system having a reforming system. It is preferable to apply as.
第2実施形態(図6、図7)
第2実施形態では、触媒金属イオン拡散防止手段3を改良して膜電極接合体を構成した。なお、触媒金属イオン拡散防止手段の材質を変えた以外は、第1実施形態において説明した膜電極接合体と同様であるため、同一箇所の説明は省略する。
Second Embodiment (FIGS. 6 and 7)
In 2nd Embodiment, the catalyst metal ion diffusion prevention means 3 was improved and the membrane electrode assembly was comprised. In addition, since it is the same as that of the membrane electrode assembly demonstrated in 1st Embodiment except having changed the material of a catalyst metal ion diffusion prevention means, description of the same location is abbreviate | omitted.
本実施形態に係る触媒金属イオン拡散防止手段3は、基板となるカーボン繊維と、カーボン繊維表面に被覆された還元剤としての界面活性剤と、により構成される。なお、膜電極接合体の製造方法も、触媒金属イオン拡散防止手段として還元剤を被覆したカーボン繊維に電解質溶液を塗布したものを使用した以外は、第1実施形態と同様である。
The catalytic metal ion
図6は、本実施形態に係る膜電極接合体の酸化剤極触媒層6近傍を示す断面拡大図である。図6に示すように、触媒金属イオン拡散防止手段3は、カーボン繊維13表面に界面活性剤11が被覆されている。なお、図6は断面図であるため、カーボン繊維13は独立して存在するように見えるが、実際には、面状にカーボン繊維13が絡み合いカーボン繊維の一部が酸化剤極触媒層6と接している。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of the oxidant
燃料電池の運転を継続すると、酸化剤極触媒層6に存在する触媒(Pt)の一部が酸化されて、金属イオン化した状態(Pt2+)となり、濃度拡散により固体高分子電解質膜2側に移動する。しかし、ここでは、固体高分子電解質膜2と酸化剤極触媒層6との間にカーボン繊維13が存在するため、物理的に通路が狭まり、カーボン繊維13よりも酸化剤極4側の金属イオン(Pt2+)濃度が高まる。
When the operation of the fuel cell is continued, a part of the catalyst (Pt) existing in the oxidant
また、前述したクロスオーバ現象により、固体高分子電解質膜2中に溶解した水素と、金属イオン(Pt2+)の一部とが反応して、プロトンと還元された金属(Pt)とが生じる。特に、カーボン繊維13近傍には還元促進剤(界面活性剤)が存在するため、金属イオン(Pt2+)が水素で還元されやすく、図7に示すように、還元された触媒金属X、Y、Zが生じる。還元された触媒金属Z(Pt)は、電解質成分12中あるいは固体高分子電解質膜2中に存在して、酸化剤極触媒層6と電子移動のパスが形成されないため、発電時に酸化剤極触媒層6において起こる酸化還元反応が進行しない。一方、酸化剤極触媒層6近傍で還元された触媒金属Xとカーボン繊維13上に存在する還元された触媒金属Yとは、何れも酸化剤極触媒層6と接触して電子移動のパスが形成されている。このため、酸素が電解質成分12中を溶解拡散して、酸素が行き渡る触媒金属には酸素還元反応が生じるため、還元された触媒金属が発電反応により有効に寄与することになる。
In addition, due to the above-described crossover phenomenon, hydrogen dissolved in the solid
本実施形態によれば、カーボン繊維上に還元した触媒金属Bでも酸素が行き渡ることにより発電反応に寄与できるため、第1実施形態で説明した膜電極接合体に比べて有用となり得る触媒が増加し、触媒の溶解による性能劣化を抑制することができる。また、酸化剤極触媒層や触媒金属A、Bでの酸素還元反応により発熱が生じるが、熱伝導性に優れたカーボン繊維の基板を酸化剤極触媒層側に配置したため、発生した熱が平面方向に伝導し易くなり熱の分散性が良くなり、ホットスポットによる電解質成分の劣化や触媒劣化の加速性を抑制することができる。この結果、第1実施形態と同様の効果を得られるだけでなく、熱の分散性促進のため電解質の劣化を抑制して、高性能かつ耐久性の高い燃料電池を得ることができる。 According to the present embodiment, even the catalytic metal B reduced on the carbon fiber can contribute to the power generation reaction by spreading oxygen, so the number of catalysts that can be useful is increased compared to the membrane electrode assembly described in the first embodiment. The performance deterioration due to the dissolution of the catalyst can be suppressed. In addition, heat is generated by the oxygen reduction reaction in the oxidant electrode catalyst layer and the catalyst metals A and B. However, since the carbon fiber substrate having excellent thermal conductivity is disposed on the oxidant electrode catalyst layer side, the generated heat is flat. It becomes easy to conduct in the direction and heat dispersibility is improved, and the acceleration of deterioration of the electrolyte component and catalyst deterioration due to hot spots can be suppressed. As a result, not only the same effects as those of the first embodiment can be obtained, but also the high-performance and high-durability fuel cell can be obtained by suppressing the deterioration of the electrolyte for promoting the dispersibility of heat.
なお、本実施形態では、酸化剤極触媒層側に触媒金属イオン拡散防止手段を配置した例を挙げたが、燃料極触媒層側に触媒金属イオン拡散防止手段を配置した場合にも、同様の効果を得ることができる。 In this embodiment, the example in which the catalyst metal ion diffusion preventing means is arranged on the oxidant electrode catalyst layer side is given, but the same applies to the case where the catalyst metal ion diffusion preventing means is arranged on the fuel electrode catalyst layer side. An effect can be obtained.
1…膜電極接合体,
2…固体高分子電解質膜,
3…触媒金属イオン拡散防止手段,
4…酸化剤電極,
5…燃料ガス電極,
6…酸化剤極触媒層,
7…ガス拡散層,
8…燃料極触媒層,
9…ガス拡散層,
10…PTFE繊維(基材),
11…界面活性剤,
12…電解質成分,
1 ... Membrane electrode assembly,
2 ... Solid polymer electrolyte membrane,
3 ... Catalyst metal ion diffusion prevention means,
4 ... oxidant electrode,
5 ... Fuel gas electrode,
6 ... oxidant electrode catalyst layer,
7 ... Gas diffusion layer,
8 ... Fuel electrode catalyst layer,
9 ... Gas diffusion layer,
10 ... PTFE fiber (base material),
11 ... surfactant,
12 ... electrolyte component,
Claims (7)
前記電解質膜の両面側に配置された燃料極及び酸化剤極と、
前記燃料極及び前記酸化剤極の両面側に配置されたガス拡散層と、
前記電解質膜と少なくとも燃料極又は酸化剤極のいずれか一方の電極との間に配置されて、触媒金属イオンの拡散を防止すると共に、触媒金属イオンを還元する触媒金属イオン拡散防止手段と、を有することを特徴とする膜電極接合体。 An electrolyte membrane;
A fuel electrode and an oxidant electrode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer disposed on both sides of the fuel electrode and the oxidant electrode;
A catalyst metal ion diffusion preventing means disposed between the electrolyte membrane and at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode to prevent the diffusion of the catalyst metal ions and to reduce the catalyst metal ions; A membrane electrode assembly comprising:
前記膜電極接合体の一方の面側に配置された燃料極側セパレータと、
前記膜電極接合体の他方の面側に配置された酸化剤極側セパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
A fuel electrode and an oxidant electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and gas diffusion layers are respectively disposed on both sides of the fuel electrode and the oxidant electrode. The electrolyte membrane and at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode A membrane electrode assembly that is disposed between one electrode and prevents catalyst metal ions from eluting and has catalyst metal ion diffusion preventing means for reducing catalyst metal ions;
A fuel electrode side separator disposed on one surface side of the membrane electrode assembly;
An oxidant electrode side separator disposed on the other surface side of the membrane electrode assembly;
A fuel cell comprising:
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011070925A (en) * | 2009-09-25 | 2011-04-07 | Nissan Motor Co Ltd | Electrolyte membrane-electrode assembly |
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| KR101171007B1 (en) | 2010-12-28 | 2012-08-08 | 주식회사 포스코 | Solid oxide fuel cell and method of preparing same |
-
2004
- 2004-11-15 JP JP2004330390A patent/JP2006140087A/en not_active Withdrawn
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