[go: up one dir, main page]

JP2006120509A - Catalyst electrode, method for producing catalyst electrode, and fuel cell using the catalyst electrode - Google Patents

Catalyst electrode, method for producing catalyst electrode, and fuel cell using the catalyst electrode Download PDF

Info

Publication number
JP2006120509A
JP2006120509A JP2004308148A JP2004308148A JP2006120509A JP 2006120509 A JP2006120509 A JP 2006120509A JP 2004308148 A JP2004308148 A JP 2004308148A JP 2004308148 A JP2004308148 A JP 2004308148A JP 2006120509 A JP2006120509 A JP 2006120509A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
electrode
fuel
fuel cell
electrolyte
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.)
Pending
Application number
JP2004308148A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshino Noguchi
愛乃 野口
Okitoshi Kimura
興利 木村
Masaharu Tanaka
正治 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2004308148A priority Critical patent/JP2006120509A/en
Publication of JP2006120509A publication Critical patent/JP2006120509A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】燃料電池に用いる触媒電極において、燃料の拡散性と三相界面を最適化して高効率の触媒電極を得る。
【解決手段】触媒電極10は、電極基材11の上に、あらかじめ溶媒に均一に分散し、調整しておいた電解質13と、触媒粒子12とによる触媒層14を形成してなる。このとき電極基材11側では、電解質13の量が少なく空孔15が多いため、燃料の拡散性が良い。そして、電極基材11側から伝導電解質膜2に向かって相対的に電解質13の量が増えて空孔15が減少し、これにより三相界面が増加する。本構成によれば、触媒層14において、燃料の拡散性の良い領域と活性の高い三相界面が多い領域とを厚さ方向にそれぞれ形成できる。また、他の例では、上記構成において、触媒電極10の厚さ方向に、電極基材11から伝導電解質膜2に向かって触媒粒子12の粒径を小さくするようにしてもよい。
【選択図】図2
In a catalyst electrode used in a fuel cell, a highly efficient catalyst electrode is obtained by optimizing the diffusibility of fuel and the three-phase interface.
A catalyst electrode 10 is formed by forming a catalyst layer 14 composed of an electrolyte 13 and catalyst particles 12 which are uniformly dispersed in a solvent in advance and adjusted on an electrode substrate 11. At this time, since the amount of the electrolyte 13 is small and the pores 15 are large on the electrode substrate 11 side, the fuel diffusibility is good. And the quantity of the electrolyte 13 increases relatively toward the conductive electrolyte membrane 2 from the electrode base material 11 side, the void | hole 15 reduces, and, thereby, a three-phase interface increases. According to this configuration, in the catalyst layer 14, a region with good fuel diffusibility and a region with many active three-phase interfaces can be formed in the thickness direction. In another example, in the above configuration, the particle diameter of the catalyst particles 12 may be decreased in the thickness direction of the catalyst electrode 10 from the electrode base material 11 toward the conductive electrolyte membrane 2.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、触媒電極、触媒電極の製造方法、および該触媒電極を用いた燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池に適用されて燃料の拡散性と三相界面の形態を最適化した触媒電極と、その触媒電極の製造方法、その触媒電極を適用した燃料電池に関する。   The present invention relates to a catalyst electrode, a method for producing the catalyst electrode, and a fuel cell using the catalyst electrode, and more particularly, a catalyst that is applied to the fuel cell and optimizes the form of the fuel diffusibility and the three-phase interface. The present invention relates to an electrode, a method for producing the catalyst electrode, and a fuel cell to which the catalyst electrode is applied.

温暖化ガスに代表される環境問題の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されてきている。特に固体電解質型燃料電池は、低温作動特性を有し、小型で高出力密度であることから研究開発が活発に進められている。その中、燃料電池電極の製造において、電極層への燃料の高い拡散性と三相界面の形成は、燃料電池の安定稼動に不可欠な要素である。   From the viewpoint of environmental problems represented by greenhouse gases, fuel cells as clean energy sources have been developed at a rapid pace. In particular, solid oxide fuel cells are actively researched and developed because of their low-temperature operation characteristics, small size, and high power density. Among them, in the manufacture of a fuel cell electrode, high diffusibility of fuel to the electrode layer and formation of a three-phase interface are indispensable elements for stable operation of the fuel cell.

そこで従来から、電極基材と電解質層との間の触媒層の形態として、電極基材から電解質層に向かって粒度勾配を持たせた触媒粒子層を形成したものが開示されており(例えば、特許文献1)、燃料の拡散性の改善がなされている。また特許文献1では、電解質層側の触媒粒子の粒径を小さくすることによって、電解質層との界面における触媒粒子の表面積が増えることがあげてられているが、触媒層の内部において効率的に反応を起こすような、触媒粒子と電解質が形成する三相界面については改善されていない。   Therefore, conventionally, as a form of the catalyst layer between the electrode substrate and the electrolyte layer, a catalyst particle layer having a particle size gradient from the electrode substrate toward the electrolyte layer has been disclosed (for example, Patent Document 1) has improved the diffusibility of fuel. Further, Patent Document 1 mentions that the surface area of the catalyst particles at the interface with the electrolyte layer is increased by reducing the particle size of the catalyst particles on the electrolyte layer side. The three-phase interface formed by the catalyst particles and the electrolyte that causes a reaction has not been improved.

一方、触媒層を積層して形成する従来方法としては、粉砕機で粉砕した触媒の粉体を散布して電極を製造する方法がある(例えば、特許文献2)。しかしながら、粉砕機により粉砕された粉体を用いて連続的に触媒層を形成することは難しく、また三相界面が効率的に形成されていない。
特開平2−18862号公報 特開2001−160402号公報
On the other hand, as a conventional method for stacking and forming catalyst layers, there is a method of manufacturing an electrode by spraying catalyst powder pulverized by a pulverizer (for example, Patent Document 2). However, it is difficult to continuously form a catalyst layer using powder pulverized by a pulverizer, and a three-phase interface is not efficiently formed.
Japanese Patent Laid-Open No. 2-18862 JP 2001-160402 A

本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、
その目的は、燃料電池に用いることができる触媒電極において、燃料の拡散性と三相界面の形態が場所に応じて最適化された触媒電極を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極において、触媒電極が有する電極基材側では燃料の拡散性が良く、触媒電極が積層される電解質膜側では、三相界面がより多く形成されている電極を提供することである。
The present invention has been made to solve such a problem.
The purpose of the present invention is to provide a catalyst electrode that can be used in a fuel cell, in which the diffusibility of the fuel and the form of the three-phase interface are optimized depending on the location.
Still another object of the present invention is that the catalyst electrode has good fuel diffusibility on the electrode substrate side of the catalyst electrode, and more three-phase interfaces are formed on the electrolyte membrane side where the catalyst electrode is laminated. It is to provide an electrode.

さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極において、触媒性能が高い触媒電極を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極の触媒層を効率的に製造することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極により、燃料の拡散性と三相界面の形態が最適化され、高効率で安定稼動することができる燃料電池を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a catalyst electrode having high catalyst performance in the above catalyst electrode.
Still another object of the present invention is to efficiently produce the catalyst layer of the catalyst electrode.
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell that can optimize the diffusibility of the fuel and the form of the three-phase interface and can operate stably with high efficiency.

さらに本発明の他の目的は、上記の燃料電池において、エネルギー密度の高い液体燃料を用いることにより、駆動時間を向上させる燃料電池を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料電池において、環境保全性および安全性が高い燃料電池を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell in which the driving time is improved by using a liquid fuel having a high energy density in the above fuel cell.
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell having high environmental conservation and safety in the above fuel cell.

上記課題を解決するために、請求項1の発明は、電極基材と、該電極基材上に形成された触媒層とを有してなる触媒電極であって、前記触媒層は、電解質と触媒機能を有する粒子とを含み、該触媒層に含まれる前記電解質が、該触媒層の厚み方向において前記電極基材の反対側に相対的に多く存在していることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is a catalyst electrode comprising an electrode base material and a catalyst layer formed on the electrode base material, wherein the catalyst layer comprises an electrolyte, Particles having a catalytic function, and a relatively large amount of the electrolyte contained in the catalyst layer is present on the opposite side of the electrode substrate in the thickness direction of the catalyst layer.

請求項2の発明は、請求項1に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、前記触媒層の厚み方向において前記電極基材側で相対的に粒径が大きいことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the catalyst electrode according to the first aspect, the particles having the catalytic function have a relatively large particle size on the electrode base material side in the thickness direction of the catalyst layer. .

請求項3の発明は、請求項1または2に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、金属触媒を担持したカーボン粒子であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the catalyst electrode according to the first or second aspect, the particles having the catalytic function are carbon particles supporting a metal catalyst.

請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれか1に記載の触媒電極において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成されてなることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the catalyst electrode according to any one of the first to third aspects, wherein the catalyst layer changes the composition of the particles having the catalytic function, the electrolyte, and the solvent. It is formed by spraying on a material.

請求項5の発明は、請求項1ないし3のいずれか1に記載の触媒電極を製造するための触媒電極の製造方法において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a catalyst electrode according to any one of the first to third aspects, wherein the catalyst layer comprises particles having the catalytic function, the electrolyte, and a solvent. It is characterized in that it is formed by spraying the electrode base material while changing the composition.

請求項6の発明は、電解質層を触媒電極で両側から狭持してなる積層体を有し、該積層体に燃料を供給して発電を行なう燃料電池において、前記触媒電極は、請求項1ないし4のいずれか1に記載の触媒電極であることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell having a laminated body in which an electrolyte layer is sandwiched from both sides by a catalyst electrode, and generating power by supplying fuel to the laminated body. Or the catalyst electrode according to any one of 1 to 4 above.

請求項7の発明は、請求項6に記載の燃料電池において、前記燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the fuel cell according to claim 6, wherein the fuel contains alcohol.

請求項8の発明は、請求項7に記載の燃料電池において、前記燃料がエタノールを含有するものであることを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the seventh aspect, the fuel contains ethanol.

本発明の触媒電極によれば、燃料の拡散性と三相界面の形態が場所に応じて最適化された触媒電極を提供することができる。
さらに本発明の触媒電極によれば、上記の触媒電極において、触媒電極が有する電極基材側では燃料の拡散性が良く、触媒電極が積層される電解質膜側では、三相界面がより多く形成されている触媒電極を提供することができる。
According to the catalyst electrode of the present invention, it is possible to provide a catalyst electrode in which the diffusibility of the fuel and the form of the three-phase interface are optimized depending on the location.
Furthermore, according to the catalyst electrode of the present invention, in the above catalyst electrode, the diffusibility of fuel is good on the electrode substrate side of the catalyst electrode, and more three-phase interfaces are formed on the electrolyte membrane side where the catalyst electrode is laminated. The catalyst electrode can be provided.

さらに本発明の触媒電極によれば、上記の触媒電極において、触媒性能が高い触媒電極を提供することができる。
また本発明の触媒電極の製造方法によれば、上記の触媒電極の触媒層を効率的に製造することができる。
また本発明の燃料電池によれば、上記の触媒電極により、燃料の拡散性と三相界面の形態が最適化され、高効率で安定稼動することができる燃料電池を提供することができる。
Furthermore, according to the catalyst electrode of the present invention, a catalyst electrode having high catalyst performance can be provided.
Further, according to the method for producing a catalyst electrode of the present invention, the catalyst layer of the catalyst electrode can be produced efficiently.
In addition, according to the fuel cell of the present invention, the above-described catalyst electrode optimizes the diffusibility of the fuel and the form of the three-phase interface, and can provide a fuel cell that can operate stably with high efficiency.

さらに本発明の燃料電池によれば、上記の燃料電池において、エネルギー密度の高い液体燃料を用いることにより、駆動時間を向上させる燃料電池を提供することができる。
さらに本発明の燃料電池によれば、上記の燃料電池において、環境保全性および安全性が高い燃料電池を提供することができる。
Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, it is possible to provide a fuel cell that improves the driving time by using a liquid fuel having a high energy density in the above fuel cell.
Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, in the above fuel cell, a fuel cell having high environmental conservation and safety can be provided.

以下に本発明の実施の形態を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。   Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings. Note that in all the drawings for describing the embodiments, the same reference numerals are given to portions having the same functions, and repeated description thereof is omitted.

プロトン伝導型電解質を使用した燃料電池を例にとり、その発電概念図を図1に示す。
図1において、1は燃料電池、2は伝導電解質膜、3はアノード、4はカソード、5はアノード側セパレータ、6はカソード側セパレータ、7はアノード燃料(主に水素やアルコール)の流路となる溝、8カソード燃料(主に空気や酸素)や生成水の流路となる溝である。燃料電池の発電部は、実際には、上記のような燃料電池本体1のように構成されたセルが、多数積み重ねられたセルスタックとして構成される。
Taking a fuel cell using a proton conducting electrolyte as an example, a conceptual diagram of power generation is shown in FIG.
In FIG. 1, 1 is a fuel cell, 2 is a conductive electrolyte membrane, 3 is an anode, 4 is a cathode, 5 is an anode side separator, 6 is a cathode side separator, and 7 is a flow path for anode fuel (mainly hydrogen or alcohol). And a groove serving as a flow path for 8-cathode fuel (mainly air and oxygen) and produced water. The power generation unit of the fuel cell is actually configured as a cell stack in which a large number of cells configured like the fuel cell main body 1 as described above are stacked.

燃料電池1は、その基本的構成要素として、中心にイオン伝導体(図1の場合はプロトン伝導体)よりなる伝導電解質膜2を有し、その両側にアノード3およびカソード4が配置された構成を有している。アノード3及びカソード4は、通常、拡散層と触媒とを有して構成され、拡散層で燃料を拡散するとともに、触媒によって反応を促進させる。例えば、アノード3は、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極で、カソード4は、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極として構成される。また、伝導電解質膜2は、例えば、アノード3とカソード4との間に介装されたフィルム状のイオン導電膜(交換膜)により構成される。   The fuel cell 1 has, as its basic constituent elements, a conductive electrolyte membrane 2 made of an ion conductor (proton conductor in the case of FIG. 1) at the center, and an anode 3 and a cathode 4 arranged on both sides thereof. have. The anode 3 and the cathode 4 are usually configured to have a diffusion layer and a catalyst, and while diffusing fuel in the diffusion layer, the reaction is promoted by the catalyst. For example, the anode 3 is configured as a fuel electrode composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum and platinum / ruthenium are adhered, and the cathode 4 is configured as an air electrode composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum are adhered. In addition, the conductive electrolyte membrane 2 is configured by, for example, a film-like ion conductive film (exchange membrane) interposed between the anode 3 and the cathode 4.

伝導電解質膜2にプロトン伝導型の電解質が使用される場合、アノード3側にプロトン源となるアノード燃料(水素、アルコールなど)が供給されると、アノード3内の触媒作用により、アノード燃料から水素イオンが発生する。このとき、発生する電子は外部回路に流れ出る。そして発生した水素イオンは、伝導電解質膜2を伝搬してカソード4に達する。そしてカソード4に酸化剤(空気、酸素など)からなるカソード燃料が供給されることにより、水素イオンと酸素と外部回路を通して流れてくる電子とが反応し、水が生成される。以上が発電の概念で、これを反応式として表すと以下のようになる。   When a proton-conducting electrolyte is used for the conductive electrolyte membrane 2, when anode fuel (hydrogen, alcohol, etc.) serving as a proton source is supplied to the anode 3, hydrogen is supplied from the anode fuel by the catalytic action in the anode 3. Ions are generated. At this time, the generated electrons flow out to the external circuit. The generated hydrogen ions propagate through the conductive electrolyte membrane 2 and reach the cathode 4. When cathode fuel made of an oxidant (air, oxygen, etc.) is supplied to the cathode 4, hydrogen ions, oxygen, and electrons flowing through the external circuit react to generate water. The above is the concept of power generation, which can be expressed as a reaction formula as follows.

アノード反応;H2 → 2H+ + 2e-(水素燃料の場合)
カソード反応;2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2
全反応;H2+1/2O2 → H2
Anode reaction; H 2 → 2H + + 2e (in the case of hydrogen fuel)
Cathode reaction: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

上記の式に示された反応が進行するためには、燃料電池の電極(アノード3、カソード4)により伝導電解質膜2を狭持してなる積層体において、燃料と触媒と電解質の界面(三相界面)が十分形成されていることと、燃料の拡散性とが必要である。なぜなら、電子の授受はこの三相界面でのみ行われており、燃料分子は電解質の薄層を透過して触媒表面で活性化され電子を電極に与え、生成したプロトンなどのイオンは電解質を拡散伝搬していく。これを効率よく実行するためには、“燃料”と“燃料を活性化して電子を伝搬する伝導体触媒”と“プロトンを伝搬する電解質”の三相が形成されていることが不可欠なのである。   In order for the reaction shown in the above formula to proceed, the interface between the fuel, the catalyst, and the electrolyte (three parts) is formed in a laminate in which the conductive electrolyte membrane 2 is sandwiched by the electrodes (anode 3 and cathode 4) of the fuel cell. It is necessary that the phase interface is sufficiently formed and that the fuel is diffusible. This is because electrons are transferred only at this three-phase interface, and fuel molecules permeate through a thin layer of electrolyte and are activated on the surface of the catalyst to give electrons to the electrode. Proton ions such as protons diffuse through the electrolyte. Propagate. In order to execute this efficiently, it is essential to form three phases of “fuel”, “conductor catalyst that activates the fuel and propagates electrons”, and “electrolyte that propagates protons”.

実際には、触媒の表面に薄い電解質層が存在しても水素はこの層を透過するので、燃料の拡散する空孔が存在しない点においても反応は進行するが、その場合も反応は三相界面で行われているといえる。さらにメタノールやエタノールなどの液体燃料の場合においても、電解質層を浸透するので同様に反応が起こる。この三相界面をより多く効果的に形成して電気特性を得るには、電極の構造が重要となっており、この点について種々検討がなされている。   Actually, even if there is a thin electrolyte layer on the surface of the catalyst, hydrogen permeates through this layer, so the reaction proceeds even in the absence of fuel diffusing vacancies. It can be said that it is performed at the interface. Furthermore, in the case of liquid fuels such as methanol and ethanol, the reaction similarly occurs because the electrolyte layer penetrates. In order to more effectively form this three-phase interface and obtain electrical characteristics, the structure of the electrode is important, and various studies have been made on this point.

これまでに、電極が備える電極基材側から電解質層に向かって、触媒粒子の粒径を段階的に小さくしたものが提案されているが、電解質と触媒粒子との組成を変えずにこれらを電極に含有させた場合、触媒粒子の粒径が小さくなるに伴い、触媒の表面積は増加しているのに対し三相界面の要素である電解質量の調整はなされない。そこで本発明では、より発電特性を向上させるため、触媒粒子に対して電解質を最適に調整した触媒電極を提案した。   Up to now, it has been proposed to gradually reduce the particle size of the catalyst particles from the electrode substrate side of the electrode toward the electrolyte layer, but without changing the composition of the electrolyte and catalyst particles. When it is contained in the electrode, the surface area of the catalyst increases as the particle size of the catalyst particles decreases, but the electrolytic mass that is an element of the three-phase interface is not adjusted. Therefore, the present invention has proposed a catalyst electrode in which the electrolyte is optimally adjusted with respect to the catalyst particles in order to further improve the power generation characteristics.

図2は、本発明の触媒電極の一実施形態を説明するための概略図で、図中、10は触媒電極、11は電極基材、12は触媒粒子、13は電解質、14は触媒粒子12と電解質13を含んでなる触媒層、15は空孔である。この触媒電極10は、図1に示す燃料電池において、アノード3およびカソード4に適用して、伝導電解質の電極狭持体を形成することができる。   FIG. 2 is a schematic view for explaining an embodiment of the catalyst electrode of the present invention. In the figure, 10 is a catalyst electrode, 11 is an electrode substrate, 12 is catalyst particles, 13 is an electrolyte, and 14 is catalyst particles 12. And a catalyst layer 15 containing the electrolyte 13 and 15 are pores. The catalyst electrode 10 can be applied to the anode 3 and the cathode 4 in the fuel cell shown in FIG. 1 to form a conductive electrolyte electrode sandwich.

図2に示す触媒電極10は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどによる電極基材11の上に、あらかじめ溶媒に均一に分散し、調整しておいた電解質13と、触媒粒子12とによる触媒層14を形成する。触媒層14を形成する成分としては、触媒粒子12と電解質13の他に結着剤を含んでいても良い。このとき電極基材11側では、電解質13の量が少なく空孔15が多いため、燃料の拡散性が良い。そして、電極基材11側から伝導電解質膜2に向かって相対的に電解質13の量が増えて空孔15が減少し、これにより三相界面が増加する。そして、伝導電解質膜2との接合面では、空孔15がない平滑な接合面が形成されている。本構成によれば、触媒層14において、燃料の拡散性の良い領域と活性の高い三相界面が多い領域とを厚さ方向にそれぞれ形成できる。   The catalyst electrode 10 shown in FIG. 2 has a catalyst layer 14 composed of an electrolyte 13 and catalyst particles 12 that are uniformly dispersed and adjusted in advance in a solvent on an electrode substrate 11 made of carbon paper or carbon cloth. Form. In addition to the catalyst particles 12 and the electrolyte 13, the component that forms the catalyst layer 14 may include a binder. At this time, since the amount of the electrolyte 13 is small and the pores 15 are large on the electrode substrate 11 side, the fuel diffusibility is good. And the quantity of the electrolyte 13 increases relatively toward the conductive electrolyte membrane 2 from the electrode base material 11 side, the void | hole 15 reduces, and, thereby, a three-phase interface increases. And in the joint surface with the conductive electrolyte membrane 2, the smooth joint surface without the void | hole 15 is formed. According to this configuration, in the catalyst layer 14, a region with good fuel diffusibility and a region with many active three-phase interfaces can be formed in the thickness direction.

図3は、本発明の触媒電極の他の実施形態を説明するための概略図である。本実施形態では、触媒層14の厚さ方向において、触媒粒子12の含有重量を変えることなく、その粒径を電極基材11側から伝導電解質膜2に向かって徐々に小さくしている。
つまり、触媒層14の厚さ方向において、触媒粒子12の粒径を小さくしたとき、含有される触媒粒子12の重量が一定である場合は、その触媒粒子12の表面積は増加する。そして、増加した触媒粒子12の表面積に応じて、電解質13の量を増加させる。これにより、伝導電解質膜2近傍においても、触媒粒子12のまわりに十分に電解質13が存在できるため三相界面をより多く形成することができる。また、触媒粒子12の粒径が大きい領域では空孔15が多く形成され、触媒粒子12の粒径が小さい領域では空孔15の量が少ない。これにより、燃料の拡散も効率的に実行することができる。
FIG. 3 is a schematic view for explaining another embodiment of the catalyst electrode of the present invention. In the present embodiment, in the thickness direction of the catalyst layer 14, the particle diameter is gradually decreased from the electrode substrate 11 side toward the conductive electrolyte membrane 2 without changing the weight of the catalyst particles 12.
That is, when the particle size of the catalyst particles 12 is reduced in the thickness direction of the catalyst layer 14, the surface area of the catalyst particles 12 increases when the weight of the contained catalyst particles 12 is constant. Then, the amount of the electrolyte 13 is increased according to the increased surface area of the catalyst particles 12. As a result, even in the vicinity of the conductive electrolyte membrane 2, the electrolyte 13 can sufficiently exist around the catalyst particles 12, so that more three-phase interfaces can be formed. Further, a large number of pores 15 are formed in a region where the particle size of the catalyst particles 12 is large, and a small amount of the pores 15 is formed in a region where the particle size of the catalyst particles 12 is small. Thereby, the diffusion of fuel can also be executed efficiently.

本発明の触媒粒子としては、PtやRuなどの金属触媒がカーボン粒子に担持されているものが好ましく、カーボンの粒径を調整することでカーボン粒子の表面積に応じた触媒の量が調整され、結果、三相界面の形成を調整することができる。   The catalyst particles of the present invention are preferably those in which a metal catalyst such as Pt or Ru is supported on carbon particles, and the amount of the catalyst according to the surface area of the carbon particles is adjusted by adjusting the particle size of the carbon, As a result, the formation of the three-phase interface can be adjusted.

次に触媒層14の形成方法の実施形態について説明する。
触媒層14を形成するための方法として、一般にブレードなどによる塗布やスクリーン印刷などを適用することが考えられるが、本発明のように、触媒層14の厚さ方向にその組成を変化させる場合は、触媒層14を何層かに分けて層形成する必要がある。この場合、ある程度の粘度を有する触媒層14を、前記のブレードなどで塗布する場合は、層を重ねる前に下の層が十分に乾燥して固定される必要があり、層形成の工程に時間を要する。つまり空孔15を調節できる粘度を有する塗工液を、塗布後に乾燥して層形成を行うのであるが、塗布層は表面から乾燥し、層内部の乾燥に時間がかかるため、触媒層14の形成工程に時間を要することとなる。また塗布層が表面から乾燥し、塗布を行なう面に厚み方向へ力が加わることで空孔15の形成が困難となる。
Next, an embodiment of a method for forming the catalyst layer 14 will be described.
As a method for forming the catalyst layer 14, it is generally considered to apply application by a blade or screen printing or the like, but when the composition is changed in the thickness direction of the catalyst layer 14 as in the present invention. The catalyst layer 14 needs to be divided into several layers. In this case, when the catalyst layer 14 having a certain degree of viscosity is applied with the above-described blade or the like, the lower layer needs to be sufficiently dried and fixed before the layers are stacked. Cost. That is, the coating liquid having a viscosity capable of adjusting the pores 15 is dried to form a layer after coating, but the coating layer is dried from the surface, and it takes time to dry the inside of the layer. The formation process takes time. In addition, since the coating layer is dried from the surface and a force is applied to the surface to be coated in the thickness direction, formation of the holes 15 becomes difficult.

本発明の実施形態では、スプレーコートのような噴霧によって触媒層14を形成することが好ましい。噴霧法においては、分散溶媒の種類と配合量、および触媒担持粒子と電解質の配合量を適切に選んで噴霧液を調整し、適切な噴霧量と速度を選ぶことで、拡散性の良い空孔15を有する触媒層14を効率的に形成することができる。これは、噴霧液を噴霧するとき、その噴霧中に噴霧液の粘度が上昇するため、形成される触媒層14に空孔15が維持され易くなるものと考えられる。また噴霧による層形成を行なう環境としては、室温でも良く、温度調整を行なって噴霧した液滴の粘度や形成された層の乾燥速度を調節してもよい。   In the embodiment of the present invention, the catalyst layer 14 is preferably formed by spraying such as spray coating. In the spray method, pores with good diffusibility can be obtained by adjusting the spray liquid by appropriately selecting the type and blending amount of the dispersion solvent and the blending amount of the catalyst-supporting particles and the electrolyte, and selecting an appropriate spraying amount and speed. The catalyst layer 14 having 15 can be formed efficiently. It is considered that this is because when the spray liquid is sprayed, the viscosity of the spray liquid increases during the spraying, so that the pores 15 are easily maintained in the formed catalyst layer 14. In addition, the environment in which the layer is formed by spraying may be room temperature, and the viscosity of the sprayed droplets and the drying speed of the formed layer may be adjusted by adjusting the temperature.

図4は、触媒層を形成するための層形成工程の一例を説明するための概略図で、図中、16は触媒層を層形成するために調整された噴霧液、21,22は噴霧液を噴霧するための噴霧ノズルである。
触媒層14を層形成するために、目的の層組成に応じて調整した噴霧液を、その量と時間を調節して噴霧ノズル21,22から噴霧させ、電極基材11上に層形成する。噴霧によって噴霧液に含まれる分散溶媒は速やかに乾燥し、連続的な工程により効率的に触媒層14を作製することができる。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an example of a layer forming process for forming a catalyst layer. In the figure, 16 is a spray solution adjusted to form a catalyst layer, and 21 and 22 are spray solutions. It is a spray nozzle for spraying.
In order to form the catalyst layer 14, the spray solution adjusted according to the target layer composition is sprayed from the spray nozzles 21 and 22 while adjusting the amount and time, and the layer is formed on the electrode substrate 11. The dispersion solvent contained in the spray liquid is quickly dried by spraying, and the catalyst layer 14 can be efficiently produced by a continuous process.

上記のごとくに形成された触媒電極を使用して燃料電池を作成することができる。燃料電池に使用する燃料は、燃料電池に合わせて適宜設定されるものであるが、燃料としては、体積および重量エネルギー密度に優れるものを使用することが好ましく、特に体積密度に優れる燃料を使用することが好ましい。したがって気体状燃料は体積エネルギー密度に劣るため好ましくなく、液体状燃料、固体状燃料を用いることが好ましい。   A fuel cell can be produced using the catalyst electrode formed as described above. The fuel used in the fuel cell is appropriately set in accordance with the fuel cell. However, it is preferable to use a fuel excellent in volume and weight energy density, and in particular, use a fuel excellent in volume density. It is preferable. Therefore, gaseous fuel is not preferable because it is inferior in volumetric energy density, and it is preferable to use liquid fuel or solid fuel.

例えば1分子の酸化反応より取り出すことができる電子数は、水素であれば2個、メタノールであれば6個、エタノールであれば12個であることから、各々の分子1molから取り出せるクーロン量はそれぞれ理論値として、96500×2C、96500×6C、96500×12Cとなる。各々の密度、分子量を考慮し、1cc当たりのクーロン量に換算すると、エネルギー密度は、水素が約9C/cc、メタノールが約14400C/cc、エタノールが15200C/ccとなる。つまり常圧の気体としての水素は単位体積あたりのエネルギー密度は著しく低くなる。メタノールとエタノールは、酸化反応に水分子がそれぞれ、1分子、3分子必要であるが(以下の式)、これを加味しても液体燃料が優れることは明らかである。   For example, the number of electrons that can be extracted from an oxidation reaction of one molecule is 2 for hydrogen, 6 for methanol, and 12 for ethanol. The theoretical values are 96500 × 2C, 96500 × 6C, and 96500 × 12C. When each density and molecular weight are taken into consideration and converted into the amount of coulomb per cc, the energy density is about 9 C / cc for hydrogen, about 14400 C / cc for methanol, and 15200 C / cc for ethanol. That is, hydrogen as a normal pressure gas has an extremely low energy density per unit volume. Methanol and ethanol each require one molecule and three molecules of water for the oxidation reaction (the following formula), but it is clear that liquid fuel is excellent even when this is added.

CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2
25OH+3H2O→12H++12e-+2CO2
CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2
C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 12H + + 12e - + 2CO 2

また、燃料として高圧状態の水素あるいは液体水素を使用することも可能であるが、容器を堅牢にする必要が生じ、容器込みのエネルギー密度を考慮すると、常温常圧で液体あるいは固体状態の燃料がやはり優れている。
具体的には、水素吸蔵合金に蓄えた水素、ガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコールなどの固体状、および液体状燃料が使用できるが、燃料電池の小型化が可能な点、および体積エネルギー密度に優れる点により、アルコール燃料を使用することが好ましい。
アルコール燃料を使用することにより、燃料電池の駆動時間を向上させることが可能になる。なかでも、炭素数4以下のアルコールを使用することが好ましく、この場合、安全性が高く、生合成が可能である点(環境面)からエタノールを使用することがさらに好ましい。本発明で作成された電極を用いた燃料電池は、従来のものより燃料の拡散性が良く効率良く燃料が触媒層に供給される。つまりガス燃料に比べ拡散しにくい液体燃料において、拡散性の向上が著しい。
Although it is possible to use high-pressure hydrogen or liquid hydrogen as the fuel, it is necessary to make the container robust, and considering the energy density of the container, liquid or solid fuel at room temperature and normal pressure After all it is excellent.
Specifically, hydrogen, gasoline, liquid hydrocarbons, liquid alcohol, and other solid fuels stored in hydrogen storage alloys can be used, but fuel cells can be miniaturized, and volume energy It is preferable to use alcohol fuel because of its excellent density.
By using alcohol fuel, it becomes possible to improve the driving time of the fuel cell. Among these, it is preferable to use an alcohol having 4 or less carbon atoms. In this case, it is more preferable to use ethanol in view of high safety and biosynthesis (environmental aspect). The fuel cell using the electrode prepared according to the present invention has better fuel diffusibility than the conventional one and efficiently supplies the fuel to the catalyst layer. That is, the diffusibility is significantly improved in the liquid fuel that is difficult to diffuse compared with the gas fuel.

図5は、上記のような燃料電池を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。
燃料容器50には、アノード燃料51が充填されている。本例では、カソード燃料としては、空気を用いるものとし、アノード燃料としてエタノール等の水素を含む液体燃料(アルコール類)を用いるものとする。燃料容器50は、燃料電池本体1が備えられる発電モジュール30に接続され、発電モジュール30で発電された電気エネルギーにより、負荷40を駆動することができる。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a configuration example of a power supply system using the fuel cell as described above.
The fuel container 50 is filled with anode fuel 51. In this example, air is used as the cathode fuel, and liquid fuel (alcohols) containing hydrogen such as ethanol is used as the anode fuel. The fuel container 50 is connected to the power generation module 30 provided with the fuel cell main body 1, and can drive the load 40 by electric energy generated by the power generation module 30.

発電モジュール30は、発電部である燃料電池本体1と、燃料電池本体1の出力を制御するための出力制御部32と、負荷40の駆動状態に応じて出力制御部32の動作を制御する動作制御部31とを有している。   The power generation module 30 includes a fuel cell main body 1 that is a power generation unit, an output control unit 32 for controlling the output of the fuel cell main body 1, and an operation for controlling the operation of the output control unit 32 in accordance with the driving state of the load 40. And a control unit 31.

上記発電モジュール30において、動作制御部31は、負荷40の駆動状態に関する情報(負荷駆動情報)に基づいて、燃料電池本体1の発電状態を制御する。具体的には、動作制御部31は、燃料電池本体1が駆動していない状態で負荷40を起動させる指令を検出した場合に、出力制御部32に対して燃料電池本体1を起動させるための動作制御信号を出力し、また、燃料電池本体1が駆動している状態で、負荷40を停止する指令を検出した場合は、出力制御部32に対して、燃料電池本体1を停止させるための動作制御信号を出力する。   In the power generation module 30, the operation control unit 31 controls the power generation state of the fuel cell main body 1 based on information on the drive state of the load 40 (load drive information). Specifically, the operation control unit 31 causes the output control unit 32 to activate the fuel cell body 1 when detecting a command to activate the load 40 in a state where the fuel cell body 1 is not driven. When an operation control signal is output and a command to stop the load 40 is detected while the fuel cell main body 1 is driven, the output control unit 32 is configured to stop the fuel cell main body 1. An operation control signal is output.

また、動作制御部31は、燃料電池本体1が駆動している状態で、負荷40の駆動状態の変動を検出した場合には、出力制御部32に対して、燃料電池本体1から負荷40に供給される電気エネルギーが、負荷40の駆動状態に対応した適切な値となるように、燃料電池本体1における電気エネルギーの発生量(発電量)を調整するための動作制御信号を出力する。   Further, when the operation control unit 31 detects a change in the driving state of the load 40 while the fuel cell main body 1 is being driven, the operation control unit 31 causes the output control unit 32 to change from the fuel cell main body 1 to the load 40. An operation control signal for adjusting the generation amount (power generation amount) of the electric energy in the fuel cell main body 1 is output so that the supplied electric energy becomes an appropriate value corresponding to the driving state of the load 40.

出力制御部32は、上記動作制御部31からの動作制御信号に基づいて、燃料電池本体1への発電用燃料(アノード燃料)の供給量を制御する燃料制御部33と、燃料電池本体1へのカソード燃料(ここでは空気)の供給量を制御する空気制御部34と、アノード燃料を改質して、アノード燃料に含有される水素をガス化して供給する改質部35と、液体燃料からの燃料や水により自発的に発電し、少なくとも負荷40がオフの時に、燃料制御部33、空気制御部34、改質部35に電力を供給する副発電部36と、を有して構成されている。   The output control unit 32 controls the supply amount of power generation fuel (anode fuel) to the fuel cell main body 1 based on the operation control signal from the operation control unit 31 and the fuel cell main body 1. An air control unit 34 for controlling the supply amount of the cathode fuel (here, air), a reforming unit 35 for reforming the anode fuel, gasifying and supplying hydrogen contained in the anode fuel, and liquid fuel. And a sub-power generation unit 36 that supplies power to the fuel control unit 33, the air control unit 34, and the reforming unit 35 at least when the load 40 is off. ing.

副発電部36は、燃料容器50に連通する管から毛細管現象により送出された液体燃料が改質器なしに直接供給されることにより発電する直接型燃料電池、あるいは燃料容器50から送出された液体燃料が気化する際に上昇する圧力でタービンを回転し発電するガスタービン型やロータリーエンジン型発電器により構成することができる。また副発電部36は、少なくとも負荷40がオフ時に、動作制御部31が負荷駆動情報をモニタリングするために必要な電力を動作制御部31に供給するとともに、オフ時の待機電力を負荷40に供給する。   The sub power generation unit 36 is a direct fuel cell that generates power by directly supplying liquid fuel sent by capillary action from a pipe communicating with the fuel container 50 without a reformer, or liquid sent from the fuel container 50. It can be constituted by a gas turbine type or rotary engine type generator that generates electricity by rotating the turbine with a pressure that rises when the fuel is vaporized. The sub power generation unit 36 supplies power necessary for the operation control unit 31 to monitor the load drive information to the operation control unit 31 and supplies standby power to the load 40 when the load 40 is off. To do.

空気制御部34は、燃料電池本体1のカソード4に供給する酸素ガスの量を電気的にポンプを駆動して供給するように設定されていてもよく、また、燃料電池本体1における単位時間当たりの酸素の最大消費量に相当する空気(大気)を供給できるものであれば、大気と燃料電池本体1とが連通した通気孔として構成してもよい。燃料電池本体1における電気化学反応に用いられる量の空気が、通気孔を介して常時供給されるように構成することで、出力制御部32は、電気化学反応の進行状態を燃料制御部33のみで制御することができる。   The air control unit 34 may be set so that the amount of oxygen gas to be supplied to the cathode 4 of the fuel cell main body 1 is electrically driven by a pump and supplied per unit time in the fuel cell main body 1. As long as the air (atmosphere) corresponding to the maximum consumption of oxygen can be supplied, the air and the fuel cell main body 1 may be configured as a vent hole. By configuring so that the amount of air used for the electrochemical reaction in the fuel cell main body 1 is always supplied via the vent hole, the output control unit 32 changes the progress of the electrochemical reaction only to the fuel control unit 33. Can be controlled.

なお、上述したような電気化学反応により負荷40に供給される駆動電力は、図5のシステムにおいては燃料電池本体1のアノード3に供給される水素ガス(H2)の量に依存する。したがって、改質部35によって燃料電池本体1のアノード3に供給される水素ガス(H2)の量を制御することにより、すなわち、燃料制御部33によってアノード燃料の量を制御することにより、負荷40に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。
また、図6は、燃料電池を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図で、図5の改質部35を用いずに燃料制御部33から直接に燃料電池本体1にアノード燃料を供給する構成を示すものである。図6の直接液体燃料供給システムにおいては、燃料電池本体1のアノード3に供給される液体燃料の量に依存する。したがって、燃料制御部33によってアノード燃料の量を制御することにより、負荷40に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。図6の他の要素については、図5と同様であるので、その繰り返しの説明は省略する。
Note that the driving power supplied to the load 40 by the electrochemical reaction as described above depends on the amount of hydrogen gas (H 2 ) supplied to the anode 3 of the fuel cell body 1 in the system of FIG. Therefore, by controlling the amount of hydrogen gas (H 2 ) supplied to the anode 3 of the fuel cell main body 1 by the reforming unit 35, that is, by controlling the amount of anode fuel by the fuel control unit 33, the load The electrical energy supplied to 40 can be arbitrarily adjusted.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining another configuration example of the power supply system using the fuel cell. The fuel control unit 33 directly attaches the fuel cell body 1 to the fuel cell body 1 without using the reforming unit 35 of FIG. 1 shows a configuration for supplying anode fuel. In the direct liquid fuel supply system of FIG. 6, it depends on the amount of liquid fuel supplied to the anode 3 of the fuel cell main body 1. Therefore, the electric energy supplied to the load 40 can be arbitrarily adjusted by controlling the amount of anode fuel by the fuel control unit 33. The other elements in FIG. 6 are the same as those in FIG.

以上説明したように、本発明によって、燃料の拡散性と三相界面の形態が最適化され、高効率で安定稼動することができる燃料電池を提供でき、小型化・軽量化を図ることができる。   As described above, according to the present invention, the fuel diffusibility and the form of the three-phase interface are optimized, and a fuel cell that can operate stably with high efficiency can be provided, and the size and weight can be reduced. .

(実施例1)
Pt担持カーボン、電解質液(ナフィオン溶液、Dupon社製)、およびグリセリンを混合した均一な触媒層液を調整した。ここでは、単位体積当たりのPtに対する電解質液量を、段階的に増加させた触媒層液を3種調製して、電極基材11上に電解質液が少ない順にノズルから噴霧し、図2に示す触媒電極10の構造を形成した。これにより、単位面積当たり1mg/cm2のPtの触媒電極10を得た。そして得られた触媒電極10を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置し、ホットプレスして伝導電解質膜2と触媒電極10の接合体を作製した。得られた接合体をセパレータで狭持して燃料電池Aとした。
Example 1
A uniform catalyst layer solution in which Pt-supported carbon, an electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by Dupon) and glycerin were mixed was prepared. Here, three types of catalyst layer liquids in which the amount of the electrolyte liquid with respect to Pt per unit volume is increased in stages are prepared, and sprayed from the nozzle in order of decreasing electrolyte liquid on the electrode substrate 11, and shown in FIG. The structure of the catalyst electrode 10 was formed. As a result, a catalyst electrode 10 of 1 mg / cm 2 of Pt per unit area was obtained. The obtained catalyst electrode 10 was placed on both sides of the conductive electrolyte membrane (Nafion 115, manufactured by Dupon Co.) and hot pressed to produce a joined body of the conductive electrolyte membrane 2 and the catalyst electrode 10. The obtained joined body was sandwiched between separators to obtain a fuel cell A.

(比較例1)
比較例として、Pt担持カーボン、電解質液(ナフィオン溶液、Dupon社製)、およびグリセリンを混合した触媒層液を調整した。ここでは、調整液を電極基材11にブレードコートし、図7に示すような、単位体積当たりのPtに対する電解質液量が一定の触媒電極10が形成された。これにより、単位面積当たり1mg/cm2の触媒電極10を得た。そして得られた触媒電極10を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置し、ホットプレスして伝導電解質膜2と触媒電極10との接合体を得た。得られた接合体をセパレータで狭持して比較用燃料電池Bとした。
(Comparative Example 1)
As a comparative example, a catalyst layer solution in which Pt-supported carbon, an electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by Dupon) and glycerin were mixed was prepared. Here, the adjustment liquid was blade-coated on the electrode substrate 11 to form a catalyst electrode 10 having a constant amount of electrolyte solution relative to Pt per unit volume as shown in FIG. As a result, a catalyst electrode 10 of 1 mg / cm 2 per unit area was obtained. The obtained catalyst electrode 10 was placed on both sides of the conductive electrolyte membrane (Nafion 115, manufactured by Dupon Co.) and hot pressed to obtain a joined body of the conductive electrolyte membrane 2 and the catalyst electrode 10. The obtained joined body was sandwiched between separators to obtain a comparative fuel cell B.

(実施例2)
Pt担持カーボン、電解質液(ナフィオン溶液、Dupon社製)、およびグリセリンを混合した均一な触媒層液を調整した。ここでは、単位体積当たりPtに対する電解質液量を段階的に増加させ、かつ含有する触媒担持カーボンの粒径が段階的に小さくなるように変化させた触媒層液を3種調製して、電極基材11上に電解質液が少ない順にノズルから噴霧し、図3に示す触媒電極10の構造を形成した。これにより、単位面積当たり1mg/cm2の触媒電極10を得た。そして得られた触媒電極10を伝導電解質膜(ナフィオン115、Dupon社製)の両側に配置し、ホットプレスして伝導電解質膜2と触媒電極10の接合体を作製した。得られた接合体をセパレータで狭持して、燃料電池Cとした。
(Example 2)
A uniform catalyst layer solution in which Pt-supported carbon, an electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by Dupon) and glycerin were mixed was prepared. Here, three types of catalyst layer solutions were prepared in which the amount of the electrolyte solution relative to Pt per unit volume was increased stepwise, and the particle size of the catalyst-supporting carbon contained was changed stepwise, The structure of the catalyst electrode 10 shown in FIG. 3 was formed by spraying from the nozzle in ascending order of the electrolyte solution on the material 11. As a result, a catalyst electrode 10 of 1 mg / cm 2 per unit area was obtained. The obtained catalyst electrode 10 was placed on both sides of the conductive electrolyte membrane (Nafion 115, manufactured by Dupon Co.) and hot pressed to produce a joined body of the conductive electrolyte membrane 2 and the catalyst electrode 10. The obtained joined body was held between separators to obtain a fuel cell C.

上記燃料電池A(実施例1)、B(比較例1)、C(実施例2)を使用し、燃料としてエタノール水溶液と酸素(空気)を用いて動作させ、これらの電気特性を測定した。
この結果、燃料電池C、A、Bの順に出力が高く、比較例1の燃料電池Bに対して、Aは5%、Cは10%出力が高かった。
上記の結果から、同じ流量で燃料を供給したとき、燃料の利用率がC,A,Bの順に高くなり、本発明の実施例の燃料電池は、拡散性と界面形成によって燃料が効率良く消費されているといえる。
The fuel cells A (Example 1), B (Comparative Example 1), and C (Example 2) were used and operated using an aqueous ethanol solution and oxygen (air) as fuel, and their electrical characteristics were measured.
As a result, the output was higher in the order of the fuel cells C, A, and B, and the output of A was 5% and that of C was 10% higher than that of the fuel cell B of Comparative Example 1.
From the above results, when the fuel is supplied at the same flow rate, the fuel utilization rate increases in the order of C, A, and B, and the fuel cell according to the embodiment of the present invention consumes fuel efficiently due to diffusivity and interface formation. It can be said that.

プロトン伝導電解質を使用した燃料電池の発電概念を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electric power generation concept of the fuel cell using a proton conductive electrolyte. 本発明の触媒電極の一実施形態を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating one Embodiment of the catalyst electrode of this invention. 本発明の触媒電極の他の実施形態を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating other embodiment of the catalyst electrode of this invention. 触媒層を形成するための層形成工程の一例を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating an example of the layer formation process for forming a catalyst layer. 燃料電池を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the structural example of the power supply system which uses a fuel cell. 燃料電池を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the other structural example of the power supply system which uses a fuel cell. 比較例の触媒電極の構成例を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the structural example of the catalyst electrode of a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…伝導電解質膜、3…アノード、4…カソード、10…触媒電極、11…電極基材、12…触媒粒子、13…電解質、14…触媒層、15…空孔、16…噴霧液、21,22…噴霧ノズル、30…発電モジュール、31…動作制御部、32…出力制御部、33…燃料制御部、34…空気制御部、35…改質部、36…副発電部、40…負荷、50…燃料容器、51…アノード燃料、115…ナフィオン。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Conductive electrolyte membrane, 3 ... Anode, 4 ... Cathode, 10 ... Catalyst electrode, 11 ... Electrode base material, 12 ... Catalyst particle, 13 ... Electrolyte, 14 ... Catalyst layer, 15 ... Hole, 16 ... Spraying liquid, 21, 22 ... Spray nozzle, 30 ... Power generation module, 31 ... Operation control unit, 32 ... Output control unit, 33 ... Fuel control unit, 34 ... Air control unit, 35 ... Reforming unit, 36 ... Sub power generation 40, load, 50, fuel container, 51, anode fuel, 115, Nafion.

Claims (8)

電極基材と、該電極基材上に形成された触媒層とを有してなる触媒電極であって、前記触媒層は、電解質と触媒機能を有する粒子とを含み、該触媒層に含まれる前記電解質が、該触媒層の厚み方向において前記電極基材の反対側に相対的に多く存在していることを特徴とした触媒電極。   A catalyst electrode comprising an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate, wherein the catalyst layer includes an electrolyte and particles having a catalyst function, and is included in the catalyst layer A catalyst electrode characterized in that a relatively large amount of the electrolyte is present on the opposite side of the electrode substrate in the thickness direction of the catalyst layer. 請求項1に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、前記触媒層の厚み方向において前記電極基材側で相対的に粒径が大きいことを特徴とする触媒電極。   2. The catalyst electrode according to claim 1, wherein the particles having a catalytic function have a relatively large particle size on the electrode base material side in the thickness direction of the catalyst layer. 請求項1または2に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、金属触媒を担持したカーボン粒子であることを特徴とした触媒電極。   3. The catalyst electrode according to claim 1, wherein the particles having a catalytic function are carbon particles carrying a metal catalyst. 請求項1ないし3のいずれか1に記載の触媒電極において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成されてなることを特徴とする触媒電極。   4. The catalyst electrode according to claim 1, wherein the catalyst layer is formed by spraying the electrode base material while changing the composition of the particles having the catalytic function, the electrolyte, and the solvent. 5. A catalyst electrode characterized by being made. 請求項1ないし3のいずれか1に記載の触媒電極を製造するための触媒電極の製造方法において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成することを特徴とする触媒電極の製造方法。   The method for producing a catalyst electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst layer changes the composition of the particles having the catalytic function, the electrolyte, and the solvent, It forms by spraying on the said electrode base material, The manufacturing method of the catalyst electrode characterized by the above-mentioned. 電解質層を触媒電極で両側から狭持してなる積層体を有し、該積層体に燃料を供給して発電を行なう燃料電池において、前記触媒電極は、請求項1ないし4のいずれか1に記載の触媒電極であることを特徴とする燃料電池。   5. A fuel cell having a laminate in which an electrolyte layer is sandwiched between catalyst electrodes from both sides, and generating power by supplying fuel to the laminate, wherein the catalyst electrode is defined in any one of claims 1 to 4. A fuel cell comprising the catalyst electrode as described. 請求項6に記載の燃料電池において、前記燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to claim 6, wherein the fuel contains alcohol. 請求項7に記載の燃料電池において、前記燃料がエタノールを含有するものであることを特徴とする燃料電池。   8. The fuel cell according to claim 7, wherein the fuel contains ethanol.
JP2004308148A 2004-10-22 2004-10-22 Catalyst electrode, method for producing catalyst electrode, and fuel cell using the catalyst electrode Pending JP2006120509A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004308148A JP2006120509A (en) 2004-10-22 2004-10-22 Catalyst electrode, method for producing catalyst electrode, and fuel cell using the catalyst electrode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004308148A JP2006120509A (en) 2004-10-22 2004-10-22 Catalyst electrode, method for producing catalyst electrode, and fuel cell using the catalyst electrode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006120509A true JP2006120509A (en) 2006-05-11

Family

ID=36538200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004308148A Pending JP2006120509A (en) 2004-10-22 2004-10-22 Catalyst electrode, method for producing catalyst electrode, and fuel cell using the catalyst electrode

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006120509A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015162279A (en) * 2014-02-26 2015-09-07 帝人株式会社 Cathode electrode structure and membrane / electrode assembly

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015162279A (en) * 2014-02-26 2015-09-07 帝人株式会社 Cathode electrode structure and membrane / electrode assembly

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2009009769A (en) Alkaline fuel cell
JP5403198B2 (en) Hydrogen production apparatus, fuel cell power generation apparatus, electric vehicle, submarine, and hydrogen supply system using the same
US6936361B2 (en) Method for humidifying a fuel stream for a direct methanol fuel cell
JP5384515B2 (en) Fuel cell electrode having two kinds of hydrophilicity, method for producing the same, membrane electrode assembly including the same, and fuel cell
JP3821081B2 (en) FUEL CELL, PORTABLE DEVICE EQUIPPED WITH THE SAME AND FUEL CELL OPERATION METHOD
JP2004055550A (en) Direct alcohol fuel cell and manufacturing method thereof
JP2005240064A (en) Reformer, fuel cell system and equipment
WO2004032270A1 (en) Fuel cell and method for driving fuel cell
JP2006049115A (en) Fuel cell
JP2011096460A (en) Cathode electrode for fuel cell and fuel cell
JP2006120509A (en) Catalyst electrode, method for producing catalyst electrode, and fuel cell using the catalyst electrode
KR100831014B1 (en) Reformer of a fuel cell system, and a fuel cell system comprising the same
JP2008135274A (en) Manufacturing method of fuel cell
JP2006202774A (en) Fuel cell, portable apparatus with it, and method for operating it
JP2009146864A (en) Fuel cell
JP5403199B2 (en) Honeycomb type hydrogen production apparatus, fuel cell power generation apparatus using the same, electric vehicle, submarine ship and hydrogen supply system, and reaction tube for hydrogen production cell
TW200836393A (en) Fuel battery
WO2007034756A1 (en) Fuel cell
WO2004027916A1 (en) Liquid fuel supply type of fuel cell
JP2007317588A (en) Reactant supply apparatus and reaction apparatus
WO2007110941A1 (en) Fuel cell
JP2010073608A (en) Fuel cell
JP5128824B2 (en) Fuel cell system
JP2007042600A (en) Fuel cell
JP2007335336A (en) Fuel cell system using formic acid fuel