JP2009037956A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒層からの白金触媒の溶出による性能低下を抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜の両面に、白金触媒20を担持したカーボン担体21を含む触媒層15bが配置された構造を有し、電解質膜と触媒層15bとの界面に、白金触媒を担持しないカーボン粉末24が電解質膜と同質の電解質部25中に分散してなる触媒析出層15dを備えることにより、触媒層15bから溶出した白金触媒20を析出させて再利用可能にした。
【選択図】図4
【解決手段】電解質膜の両面に、白金触媒20を担持したカーボン担体21を含む触媒層15bが配置された構造を有し、電解質膜と触媒層15bとの界面に、白金触媒を担持しないカーボン粉末24が電解質膜と同質の電解質部25中に分散してなる触媒析出層15dを備えることにより、触媒層15bから溶出した白金触媒20を析出させて再利用可能にした。
【選択図】図4
Description
本発明は、燃料電池に関するものである。
反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の電気化学反応で発電する燃料電池は、その基本構成が、電解質膜を一対の電極としての触媒層で挟んで構成されるMEA(Membrane−Electrode Assembly:膜−電極接合体)と、MEAの両側に配設される一対の拡散層と、両側の拡散層のさらに両外側に配設されて反応ガスを拡散層に沿って流す一対のセパレータとからなっている。このような燃料電池において、電解質膜と触媒層との界面にカーボン繊維の層を設け、水分の拡散性を向上する技術がある(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−235727号公報
ところで、燃料電池の触媒層は、白金触媒(白金合金触媒を含む。以下同)を担持したカーボン担体を含むものであるが、例えば高電位にさらされたり電位変動が大きかったりすると、白金触媒がカーボン担体から溶出し、電解質膜内に流出して触媒層から離れた位置に析出することになる。
このように、白金触媒が触媒層から溶出して電解質膜内の触媒層から離れた位置に析出すると、電気化学反応に寄与する白金の量が見かけ上低減するので、電気化学反応が不十分となり、燃料電池の性能低下を引き起こしてしまう。上記した電解質膜と触媒層との界面にカーボン繊維の層を設ける技術は、水分の拡散性を向上することはできるものの、触媒層からの白金触媒の溶出に対しての効果は期待できない。
このように、白金触媒が触媒層から溶出して電解質膜内の触媒層から離れた位置に析出すると、電気化学反応に寄与する白金の量が見かけ上低減するので、電気化学反応が不十分となり、燃料電池の性能低下を引き起こしてしまう。上記した電解質膜と触媒層との界面にカーボン繊維の層を設ける技術は、水分の拡散性を向上することはできるものの、触媒層からの白金触媒の溶出に対しての効果は期待できない。
そこで、本発明は、触媒層からの白金触媒の溶出による性能低下を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に、白金触媒を担持したカーボン担体を含む触媒層が配置された構造を有する燃料電池であって、前記電解質膜と前記触媒層との界面に、白金触媒を担持しないカーボン粉末が前記電解質膜と同質の電解質部中に分散してなる触媒析出層を備えた構成としている。
かかる構成によれば、例えば高電位にさらされたり電位変動が大きかったりすることで、触媒層の白金触媒がカーボン担体から溶出してしまっても、電解質膜と触媒層との界面に設けられている触媒析出層において、触媒層から溶出した白金触媒を析出させてそのカーボン粉末に担持することができる。そして、この触媒析出層は電解質膜と触媒層との界面に設けられているため、触媒層と電気的に導通することになり、電気化学反応に寄与することになる。
つまり、触媒層から溶出した白金触媒を触媒析出層で析出させて触媒として再利用することができる。なお、表面に凹凸を有するカーボン粉末や、多孔質のカーボン粉末を使用すれば、表面積をより大きくすることができるため、析出した白金触媒を効率良く担持することができる。
つまり、触媒層から溶出した白金触媒を触媒析出層で析出させて触媒として再利用することができる。なお、表面に凹凸を有するカーボン粉末や、多孔質のカーボン粉末を使用すれば、表面積をより大きくすることができるため、析出した白金触媒を効率良く担持することができる。
上記の構成において、前記触媒析出層のイオン交換当量重量が前記触媒層及び前記電解質膜よりも大きくても良い。
触媒析出層のイオン交換当量重量を大きくすると、触媒析出層の電位が下がるので、かかる構成によれば、触媒層から溶出した白金触媒の析出を促進させることができる。
また、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に、白金触媒を担持したカーボン担体を含む触媒層が配置された構造を有する燃料電池であって、前記電解質膜には、その前記触媒層側に、該触媒層から溶出し前記電解質膜内で析出した白金触媒と前記触媒層とを電気的に導通させるカーボン繊維が植設された構成としている。
かかる構成によれば、例えば高電位にさらされたり電位変動が大きかったりすることで、触媒層の白金触媒がカーボン担体から溶出し、電解質膜内に流出してしまっても、電解質膜の触媒層側に植設されたカーボン繊維が、電解質膜内で析出した白金触媒と触媒層とを電気的に導通させることになる。よって、電解質膜内で析出した白金触媒が電気化学反応に寄与することになる。
つまり、触媒層から溶出し電解質膜内で析出した白金触媒を触媒として再利用することができる。
つまり、触媒層から溶出し電解質膜内で析出した白金触媒を触媒として再利用することができる。
本発明によれば、触媒層からの白金触媒の溶出による性能低下を抑制することができる。
本発明に係る燃料電池の第1実施形態を、図1〜図6を参照しつつ説明する。第1実施形態の燃料電池1は、固体高分子型のもので、図1に示すように、基本単位であるセル2が複数積層されたスタック本体3と、スタック本体3を支持するフレーム5とを備えている。セル2の積層方向に沿うスタック本体3の一端には、ターミナルプレート7が配置され、その外側に絶縁プレート8が配置されている。さらにその外側には、フレーム5を構成するエンドプレート9aが配置されている。
また、スタック本体3の他端には、ターミナルプレート7が配置され、その外側に絶縁プレート8が配置され、さらにその外側にはプレッシャプレート13が配置されている。各ターミナルプレート7には、出力端子6が設けられている。プレッシャプレート13の外側には、フレーム5を構成するエンドプレート9bが、プレッシャプレート13から離間して配置されており、プレッシャプレート13とエンドプレート9bとの間には、バネ部材14が介装されている。
スタック本体3の両側に配置された2枚のエンドプレート9a,9bの間には、セル2の積層方向に沿って複数のテンションプレート11が架設されている。各テンションプレート11は、両方の端部を各エンドプレート9a,9bにボルト12によってそれぞれ固定されており、2枚のエンドプレート9a,9bとともにフレーム5を構成している。
2枚のエンドプレート9a,9bが複数のテンションプレート11を介して連結される際、バネ部材14には圧縮力が導入されており、バネ部材14はスタック本体3に対してセル2の積層方向に付勢力を作用させている。複数のセル2は、この付勢力によって締結されている。バネ部材14の付勢力に対する反力はテンションプレート11が負担しており、これによってテンションプレート11には張力が作用している。
セル2は、図2に示すように、固体高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜15aを一対の電極である触媒層15b,15cで挟んだMEA(Membrane−Electrode Assembly:膜−電極接合体)15と、MEA15を挟持する一対の拡散層16b,16cと、これら一対の拡散層16b,16cをさらに両側から挟持する一対のセパレータ17b,17cとを備えている。
一対のセパレータ17b,17cには、拡散層16b,16cに沿って反応ガスを流すことで拡散層16b,16cを介して触媒層15b,15cに反応ガスを供給するためのガス流路18b,18cがそれぞれ形成されている。ここで、一方のカソード側のセパレータ17bのガス流路18bには酸化ガス(通常は空気)が流されることになり、他方のアノード側のセパレータ17cのガス流路18cには燃料ガスとしての水素ガスが流される。
セル2に供給された酸化ガスは、一方のセパレータ17bとこれに隣接する拡散層16bとの間に画成されたガス流路18bに流入しこの拡散層16bを介してこれに隣接する一方のカソード電極としての触媒層15bに接し、セル2に供給された水素ガスは、他方のセパレータ17cとこれに隣接する拡散層16cとの間に画成されたガス流路18cに流入しこの拡散層16cを介してこれに隣接する他方のアノード電極としての触媒層15cに接する。双方の触媒層15b,15cにそれぞれ接した酸化ガス及び水素ガスは、電解質膜15aにおいて電気化学反応を起こし、起電力を発生させる。
各セル2において発生した起電力は、図1に示すターミナルプレート7に設けられた出力端子6から取り出すことができる。
そして、第1実施形態においては、図3に示すように、MEA15のカソード電極である触媒層15bと電解質膜15aとの界面に、触媒析出層15dが形成されている。触媒層15bは、図4に示すように、例えば白金触媒20を担持した粉末状のカーボン担体21と、電解質15aと同質の電解質膜材料とを混練して得たペーストを塗布して形成される、カーボン担体21と電解質部22とを具備する構成とされている。
これに対して、触媒析出層15dは、白金触媒を担持していない粉末状のカーボン担体(カーボン粉末)24と、電解質15aと同質の電解質膜材料とを混練して得たペーストを塗布して形成される、カーボン担体24と電解質部25とを具備する構成とされている。
なお、触媒析出層15dのカーボン担体24を構成するカーボン粒子は、触媒層15bのカーボン担体21を構成するカーボン粒子よりも、例えば多孔であって単位体積当たりの表面積が大きいものが用いられている。
これに対して、触媒析出層15dは、白金触媒を担持していない粉末状のカーボン担体(カーボン粉末)24と、電解質15aと同質の電解質膜材料とを混練して得たペーストを塗布して形成される、カーボン担体24と電解質部25とを具備する構成とされている。
なお、触媒析出層15dのカーボン担体24を構成するカーボン粒子は、触媒層15bのカーボン担体21を構成するカーボン粒子よりも、例えば多孔であって単位体積当たりの表面積が大きいものが用いられている。
このような構成の第1実施形態によれば、例えば高電位にさらされたり電位変動が大きかったりすることで、特にカソード電極である触媒層15bの白金触媒20がカーボン担体21から溶出してしまうことがあるが、電解質膜15aとこの触媒層15bとの界面に、白金触媒を担持しないカーボン担体24が電解質部25中に分散してなる触媒析出層15dが設けられているため、この触媒析出層15dで、触媒層15bから溶出した白金触媒20を析出させて、そのカーボン担体24で捕捉して担持することができる。
また、この触媒析出層15dは電解質膜15aと触媒層15bとの界面に設けられているため、触媒層15bと電気的に導通することになり、電気化学反応に寄与することになる。つまり、触媒層15bから溶出した白金触媒20を触媒析出層15dで析出させて触媒として再利用することができる。
さらに、カーボン粉末からなるカーボン担体24は、表面積の大きなものが用いられているため、析出した白金触媒20を効率良く担持することができる。したがって、触媒層15bからの白金触媒20の溶出による性能低下を抑制することができる。
また、この触媒析出層15dは電解質膜15aと触媒層15bとの界面に設けられているため、触媒層15bと電気的に導通することになり、電気化学反応に寄与することになる。つまり、触媒層15bから溶出した白金触媒20を触媒析出層15dで析出させて触媒として再利用することができる。
さらに、カーボン粉末からなるカーボン担体24は、表面積の大きなものが用いられているため、析出した白金触媒20を効率良く担持することができる。したがって、触媒層15bからの白金触媒20の溶出による性能低下を抑制することができる。
なお、図5に示すように、触媒層15bと電解質膜15aとの界面に触媒析出層15dを形成するとともに、触媒層15bの電解質膜15aとは反対の拡散層16bとの界面にも、触媒析出層15dと同様の、白金触媒を担持していない粉末状のカーボン担体が電解質膜15aと同質の電解質部中に分散してなる触媒析出層15eを形成しても良い。
このように構成すれば、触媒層15bの白金触媒20がカーボン担体21から溶出した場合に、溶出した白金イオンが両側の触媒析出層15d,15eに拡散することになり、析出後の白金触媒20の分散性を向上でき、特に外側の触媒析出層15eはガス拡散性が良いという利点が生まれる。
また、例えば運転停止時等にカソード電極である触媒層15b及び触媒析出層15d側に水素ガスを供給しても良い。
これにより、触媒析出層15dの電位を下げることができ、触媒層15bから溶出した白金触媒20の触媒析出層15dでの析出を促進することができる。
また、触媒析出層15dの電解質部25における、スルホン酸の量の逆数に相当するイオン交換当量重量(EW)を、触媒層15b及び電解質膜15aのイオン交換当量重量よりも大きく(つまりスルホン酸の量を減らす)しても良い。
このように、触媒析出層15dのイオン交換当量重量を大きくすることで、触媒析出層15dの電解質部25内の電位が下がり、溶出した白金触媒20の析出を促進することができる。つまり、触媒析出層15dのイオン交換当量重量を大きくすることで、導電性を下げ、MEA15の厚さ方向の電位勾配を急勾配にすることで触媒析出層15dでの白金触媒20の析出がより容易となる。
また、図6に示すように、触媒析出層15dのカーボン担体24の表面に、セリウム酸化物やガラス系材料等の絶縁性の材料で予めコーティング層27を形成しておいても良い。
これにより、触媒析出層15dの初期の電位が低くなって白金触媒20の析出を促すことができ、その後、コーティング層27が硫酸やフッ酸の影響で徐々に溶けると、カーボン担体24が、析出した多くの白金触媒20を担持することになる。よって、再利用する白金触媒20を増やすことができる。
次に、本発明に係る燃料電池の第2実施形態を、図7及び図8を参照しつつ第1実施形態との相違部分を中心に説明する。
第2実施形態においては、図7(a)及び図8に示すように、電解質膜15aの触媒層15b側に、導電性材料であるカーボンナノチューブ等のカーボン繊維30が、多数、電解質膜15aに交差(図7では直交)するように突き刺されている(植設されている)。これらのカーボン繊維30は、通常運転時にMEA15にかかる面圧によって、図7(b)に示すように経時的に徐々に深く、電解質膜15a側に食い込んでいくことになる。
ここで、触媒層15bから溶出した白金触媒20が電解質膜15a内のどの深さ位置で析出するかを予め実験的に求めておき、カーボン繊維30は、触媒層15bから溶出した白金触媒20が電解質膜15a内に析出するタイミングで、この深さ位置まで到達し、電解質膜15a内で析出した白金触媒20と触媒層15bとを電気的に導通させるように長さ及び突き刺し深さ(植設深さ)等が設定されている。
ここで、触媒層15bから溶出した白金触媒20が電解質膜15a内のどの深さ位置で析出するかを予め実験的に求めておき、カーボン繊維30は、触媒層15bから溶出した白金触媒20が電解質膜15a内に析出するタイミングで、この深さ位置まで到達し、電解質膜15a内で析出した白金触媒20と触媒層15bとを電気的に導通させるように長さ及び突き刺し深さ(植設深さ)等が設定されている。
このような構成の第2実施形態によれば、例えば高電位にさらされたり電位変動が大きかったりすることで、触媒層15bの白金触媒20がカーボン担体21から溶出し、電解質膜15a内に流出してしまっても、電解質膜15aの触媒層15b側に直交して設けられたカーボン繊維30が、電解質膜15a内の触媒層15bから離れた析出位置で析出した白金触媒20と触媒層15bとを電気的に導通させることになる。
よって、電解質膜15a内で析出した白金触媒20が電気化学反応に寄与することになる。つまり、触媒層15bから溶出し電解質膜15a内で析出した白金触媒20を触媒として再利用することができる。
よって、電解質膜15a内で析出した白金触媒20が電気化学反応に寄与することになる。つまり、触媒層15bから溶出し電解質膜15a内で析出した白金触媒20を触媒として再利用することができる。
なお、以上の第1,第2実施形態では、特に電位が高くなるカソード側で触媒層15bから白金触媒20が溶出しやすいため、カソード側のみに上記各構成を適用する場合を例にとり説明したが、勿論、カソード側に加えてアノード側に上記各構成を適用しても良い。
1…燃料電池、2…セル、15a…電解質膜、15b,15c…触媒層、15d…触媒析出層、20…白金触媒、21…白金触媒を担持したカーボン担体、22…電解質部、24…白金触媒を担持しないカーボン担体(カーボン粉末)、25…電解質部、30…カーボン繊維(導電性材料)。
Claims (3)
- 電解質膜の両面に、白金触媒を担持したカーボン担体を含む触媒層が配置された構造を有する燃料電池であって、
前記電解質膜と前記触媒層との界面に、白金触媒を担持しないカーボン粉末が前記電解質膜と同質の電解質部中に分散してなる触媒析出層を備えている燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、
前記触媒析出層のイオン交換当量重量が前記触媒層及び前記電解質膜よりも大きい燃料電池。 - 電解質膜の両面に、白金触媒を担持したカーボン担体を含む触媒層が配置された構造を有する燃料電池であって、
前記電解質膜には、その前記触媒層側に、該触媒層から溶出し前記電解質膜内で析出した白金触媒と前記触媒層とを電気的に導通させるカーボン繊維が植設されている燃料電池。
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