JP2001052717A - 燃料電池用空気極 - Google Patents
燃料電池用空気極Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 撥水層と反応層の空孔径を調整することによ
り、燃料電池の活性化過電圧を低下させ、もってその出
力向上を図る。 【構成】 反応層を介して電解質膜に接する燃料電池用
空気極であって、空気極の反応層と接する面を撥水層と
し、その撥水層の平均空孔径を反応層の平均空孔径と実
質的に等しくする。
り、燃料電池の活性化過電圧を低下させ、もってその出
力向上を図る。 【構成】 反応層を介して電解質膜に接する燃料電池用
空気極であって、空気極の反応層と接する面を撥水層と
し、その撥水層の平均空孔径を反応層の平均空孔径と実
質的に等しくする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は燃料電池用の空気極
（陽極）に関する、特に高分子固体電解質膜を有するい
わゆるＰＥＭ型の燃料電池に用いられる空気極の改良に
関する。
（陽極）に関する、特に高分子固体電解質膜を有するい
わゆるＰＥＭ型の燃料電池に用いられる空気極の改良に
関する。
【０００２】
【従来の技術】ＰＥＭ型の燃料電池装置の電池本体は、
燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持され
た構成である。空気極と電解質膜との間には触媒を含む
反応層が介在されている。
燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持され
た構成である。空気極と電解質膜との間には触媒を含む
反応層が介在されている。
【０００３】このような構成の燃料電池の起電力は、燃
料極側（アノード）に燃料ガスが供給され、空気極側に
酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い
電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことによ
り、発生される。即ち、燃料極（アノード）にて得られ
る水素イオンがプロトン（Ｈ３Ｏ＋)の形態で、水分を
含んだ電解質膜中を空気極（カソード）側に移動し、ま
た燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通
って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を
含む）中の酸素と反応して水を生成する、一連の電気化
学反応による電気エネルギーを取り出すことができる。
料極側（アノード）に燃料ガスが供給され、空気極側に
酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い
電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことによ
り、発生される。即ち、燃料極（アノード）にて得られ
る水素イオンがプロトン（Ｈ３Ｏ＋)の形態で、水分を
含んだ電解質膜中を空気極（カソード）側に移動し、ま
た燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通
って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を
含む）中の酸素と反応して水を生成する、一連の電気化
学反応による電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００４】本願出願人は、かかる燃料電池において、
発熱反応をともなう空気極を冷却しその発電能力を高め
るなどの目的で空気極の表面に液状の水を供給すること
を特願平１０−３７８１６１号（出願人整理番号：EQ97
083、代理人整理番号：P006703）において提案してい
る。
発熱反応をともなう空気極を冷却しその発電能力を高め
るなどの目的で空気極の表面に液状の水を供給すること
を特願平１０−３７８１６１号（出願人整理番号：EQ97
083、代理人整理番号：P006703）において提案してい
る。
【０００５】本願発明の対象となる空気極については特
開平９−２４５８００号公報に記載がある。この従来公
報に記載の空気極は、親水処理を施された電極基材の少
なくとも電解質膜側の表面に撥水性物質を有する撥水層
を形成した構成である。電極の電解質膜側に形成された
撥水層は電解質膜中で生じた生成水をはじいてこれが電
極基材内に浸入しないようにする。これにより、生成水
による電極基材内のガス流路の閉塞が未然に防止され
る。
開平９−２４５８００号公報に記載がある。この従来公
報に記載の空気極は、親水処理を施された電極基材の少
なくとも電解質膜側の表面に撥水性物質を有する撥水層
を形成した構成である。電極の電解質膜側に形成された
撥水層は電解質膜中で生じた生成水をはじいてこれが電
極基材内に浸入しないようにする。これにより、生成水
による電極基材内のガス流路の閉塞が未然に防止され
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は燃料電池の
出力を向上させるべく検討を重ねるうちに、上記撥水層
が燃料電池の過電圧に大きく影響しているのではないか
と考えるに至った。燃料電池の電圧損失は、図１に示す
とおり、活性化過電圧、濃度過電圧及び抵抗過電圧に起
因していると考えられる。その中でも大きな影響のある
活性化過電圧はその原因として反応層における酸素還元
反応の速度が理論上の速度よりも遅いことによると考え
られている。そして、上記撥水層が反応層における酸素
還元反応に何らかの影響を与えているのではないかと考
えるに至った。上記の知見に基づき、撥水層と反応層と
を検討していくうちに、両者の空孔径を特に注目して、
その大きさを調整しようとする試みがなされていないこ
とに気が付いた。
出力を向上させるべく検討を重ねるうちに、上記撥水層
が燃料電池の過電圧に大きく影響しているのではないか
と考えるに至った。燃料電池の電圧損失は、図１に示す
とおり、活性化過電圧、濃度過電圧及び抵抗過電圧に起
因していると考えられる。その中でも大きな影響のある
活性化過電圧はその原因として反応層における酸素還元
反応の速度が理論上の速度よりも遅いことによると考え
られている。そして、上記撥水層が反応層における酸素
還元反応に何らかの影響を与えているのではないかと考
えるに至った。上記の知見に基づき、撥水層と反応層と
を検討していくうちに、両者の空孔径を特に注目して、
その大きさを調整しようとする試みがなされていないこ
とに気が付いた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、撥水層と反
応層の空孔径を調整することにより、燃料電池の活性化
過電圧を低下させ、もってその出力向上を図るものであ
る。そのためにこの発明は次なる構成を採用した。反応
層を介して電解質膜に接する燃料電池用空気極であっ
て、前記空気極の前記反応層と接する面は撥水層とさ
れ、該撥水層の平均空孔径は前記反応層の平均空孔径と
実質的に等しいこと、を特徴とする燃料電池用空気極。
応層の空孔径を調整することにより、燃料電池の活性化
過電圧を低下させ、もってその出力向上を図るものであ
る。そのためにこの発明は次なる構成を採用した。反応
層を介して電解質膜に接する燃料電池用空気極であっ
て、前記空気極の前記反応層と接する面は撥水層とさ
れ、該撥水層の平均空孔径は前記反応層の平均空孔径と
実質的に等しいこと、を特徴とする燃料電池用空気極。
【０００８】このように構成された燃料電池用空気極に
よれば、撥水層と反応層との平均空孔径が実質的に等し
くなるので、空気極を通過してきた空気が反応層へ均一
に供給されることとなるこれを模式的に説明すると図２
に示すようになる。即ち、図２Ａに示すように、撥水層
の空孔径が反応層の空孔径より大きいと、撥水層の材
料、具体的にはカーボン粒子が反応層の空孔を塞いでし
まう。塞がれた空孔には空気が供給されなくなるので、
そこでの反応が期待できなくなる。ところが、図２Ｂに
示すように、撥水層の空孔径を反応層のそれと実質的に
同じとすると、撥水層の材料による反応層の空孔の閉塞
が無くなる。これにより、反応層へ均一に空気が供給さ
れ、もって反応層での反応効率が向上する。撥水層の平
均空孔径を反応層のそれより小さくすると、反応層での
反応の結果生じる生成水により、撥水層の空孔が閉塞さ
れるおそれがあるので好ましくない。なお、反応層は表
面積を大きくするために、その平均空孔径が必然的に制
限されており、例えば０．００１〜１．０μｍである。
よれば、撥水層と反応層との平均空孔径が実質的に等し
くなるので、空気極を通過してきた空気が反応層へ均一
に供給されることとなるこれを模式的に説明すると図２
に示すようになる。即ち、図２Ａに示すように、撥水層
の空孔径が反応層の空孔径より大きいと、撥水層の材
料、具体的にはカーボン粒子が反応層の空孔を塞いでし
まう。塞がれた空孔には空気が供給されなくなるので、
そこでの反応が期待できなくなる。ところが、図２Ｂに
示すように、撥水層の空孔径を反応層のそれと実質的に
同じとすると、撥水層の材料による反応層の空孔の閉塞
が無くなる。これにより、反応層へ均一に空気が供給さ
れ、もって反応層での反応効率が向上する。撥水層の平
均空孔径を反応層のそれより小さくすると、反応層での
反応の結果生じる生成水により、撥水層の空孔が閉塞さ
れるおそれがあるので好ましくない。なお、反応層は表
面積を大きくするために、その平均空孔径が必然的に制
限されており、例えば０．００１〜１．０μｍである。
【０００９】なお、撥水層や反応層の平均空孔径は、そ
れぞれの層の単位表面積に現れた空孔の開口部の径（直
径）を平均することにより得る。また、撥水層と反応層
との平均空孔径が実質的に等しいとは、１０％程度の誤
差は許容されることを意味する。
れぞれの層の単位表面積に現れた空孔の開口部の径（直
径）を平均することにより得る。また、撥水層と反応層
との平均空孔径が実質的に等しいとは、１０％程度の誤
差は許容されることを意味する。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、この発明の各要素について
詳細に説明する。図３に燃料電池１の１つのセルの構成
を示す断面図（Ａ）と、その一部拡大図（Ｂ）を示す。
燃料電池１は電解質膜３を空気極１０と水素極５とで挟
持した構成である。空気極１０と電解質膜３との間には
触媒を担持した反応層８が介在されている。
詳細に説明する。図３に燃料電池１の１つのセルの構成
を示す断面図（Ａ）と、その一部拡大図（Ｂ）を示す。
燃料電池１は電解質膜３を空気極１０と水素極５とで挟
持した構成である。空気極１０と電解質膜３との間には
触媒を担持した反応層８が介在されている。
【００１１】電解質膜３は固体高分子材料、例えばフッ
素系樹脂より形成されるプロトン伝導性のイオン交換膜
であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。例えば、
ナフィオン（商品名：デュポン社）膜などを用いること
ができる。電解質膜３の膜厚は特に限定されないが、例
えば５０μｍとする。水素極５と電解質膜３との間にも
同様に反応層９が介在されている。水素極５の構成は周
知のものである。この発明では、部品の共通化の観点か
ら空気極１０と同じ構成としている。
素系樹脂より形成されるプロトン伝導性のイオン交換膜
であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。例えば、
ナフィオン（商品名：デュポン社）膜などを用いること
ができる。電解質膜３の膜厚は特に限定されないが、例
えば５０μｍとする。水素極５と電解質膜３との間にも
同様に反応層９が介在されている。水素極５の構成は周
知のものである。この発明では、部品の共通化の観点か
ら空気極１０と同じ構成としている。
【００１２】反応層８、９は触媒を担持したカーボン粒
子からなる層である。その膜厚は特に限定されないが、
例えば１０〜２０μｍとする。触媒にはＰｔ、Ａｕ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｈ、Ｒｕから選ばれる１種以
上の金属又は選ばれた１種以上の金属の合金を用いるこ
とができる。好ましくは、白金若しくは白金合金からな
る触媒を使用する。触媒の担持量は特に限定されない
が、低コストの観点から０．０１〜０．２ｍｇ／ｃｍ２
程度とすることが望まれる。実施例ではＰｔ触媒の担持
量は０．４ｍｇ／ｃｍ２である。反応層８の平均空孔径
は、０．０１〜０．２μｍである。反応層８の空孔径の
大きさはカーボン粒子の粒径を選択することにより調整
できる。上記の空孔径を得るには平均粒径が０．０１〜
０．５μｍのカーボン粒子を用いる。かかる反応層８、
９は触媒を担持したカーボン粒子を有機溶剤に分散さ
せ、さらに電解質溶液を適量添加してペースト化し、そ
のペーストを撥水層１３の表面に塗布して形成される。
子からなる層である。その膜厚は特に限定されないが、
例えば１０〜２０μｍとする。触媒にはＰｔ、Ａｕ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｈ、Ｒｕから選ばれる１種以
上の金属又は選ばれた１種以上の金属の合金を用いるこ
とができる。好ましくは、白金若しくは白金合金からな
る触媒を使用する。触媒の担持量は特に限定されない
が、低コストの観点から０．０１〜０．２ｍｇ／ｃｍ２
程度とすることが望まれる。実施例ではＰｔ触媒の担持
量は０．４ｍｇ／ｃｍ２である。反応層８の平均空孔径
は、０．０１〜０．２μｍである。反応層８の空孔径の
大きさはカーボン粒子の粒径を選択することにより調整
できる。上記の空孔径を得るには平均粒径が０．０１〜
０．５μｍのカーボン粒子を用いる。かかる反応層８、
９は触媒を担持したカーボン粒子を有機溶剤に分散さ
せ、さらに電解質溶液を適量添加してペースト化し、そ
のペーストを撥水層１３の表面に塗布して形成される。
【００１３】空気極１０はカーボンクロスからなる基部
１１の両面に撥水層１３、１５を形成してなる。基部１
１、反応層側の第１の撥水層１３及び表面側の第２の撥
水層１５により拡散層が形成される。基部１１はカーボ
ンクロスの代わりにカーボンペーパやカーボン不織布に
より形成することもできる。カーボンクロスの織り方及
び基部１１の膜厚は特に限定されるものではないが、例
えば平織り、４００μｍとする。
１１の両面に撥水層１３、１５を形成してなる。基部１
１、反応層側の第１の撥水層１３及び表面側の第２の撥
水層１５により拡散層が形成される。基部１１はカーボ
ンクロスの代わりにカーボンペーパやカーボン不織布に
より形成することもできる。カーボンクロスの織り方及
び基部１１の膜厚は特に限定されるものではないが、例
えば平織り、４００μｍとする。
【００１４】第１の撥水層１３はカーボン粒子２１を撥
水性材料２３で連結したものである。撥水性材料にはポ
リテトラフルオロエチレン（商品名テフロン（デュポン
社）、以下「ＰＴＦＥ」という）を用いることができ
る。第１の撥水層１３の空孔２５の径の平均的な直径
（平均空孔径）は反応層８のそれと実質的に等しくする
ことが好ましい。既述したように、反応層８の空孔が閉
塞することを防止するためである。このように、第１の
撥水層１３の平均空孔径は反応層８のそれにより規定さ
れるものであるが、本発明者の検討によれば、第１の撥
水層１３の平均空孔径は０．０１〜１．０μｍとするこ
とが好ましい。その平均空孔径が０．０１μｍ未満であ
ると空孔内が生成水で閉塞されるおそれがある。その平
均空孔径が１．０μｍを超えると、同じ平均空孔径を持
つ反応層８においてその表面積（単位体積当たりの）が
小さくなるので好ましくない。第１の撥水層１３におけ
る更に好ましい平均空孔径の値は０．０１〜０．１μｍ
であり、更に更に好ましくは０．０３〜０．０６μｍで
ある。
水性材料２３で連結したものである。撥水性材料にはポ
リテトラフルオロエチレン（商品名テフロン（デュポン
社）、以下「ＰＴＦＥ」という）を用いることができ
る。第１の撥水層１３の空孔２５の径の平均的な直径
（平均空孔径）は反応層８のそれと実質的に等しくする
ことが好ましい。既述したように、反応層８の空孔が閉
塞することを防止するためである。このように、第１の
撥水層１３の平均空孔径は反応層８のそれにより規定さ
れるものであるが、本発明者の検討によれば、第１の撥
水層１３の平均空孔径は０．０１〜１．０μｍとするこ
とが好ましい。その平均空孔径が０．０１μｍ未満であ
ると空孔内が生成水で閉塞されるおそれがある。その平
均空孔径が１．０μｍを超えると、同じ平均空孔径を持
つ反応層８においてその表面積（単位体積当たりの）が
小さくなるので好ましくない。第１の撥水層１３におけ
る更に好ましい平均空孔径の値は０．０１〜０．１μｍ
であり、更に更に好ましくは０．０３〜０．０６μｍで
ある。
【００１５】第１の撥水層１３における平均空孔径はカ
ーボン粒子２１の粒径を選択することにより調整でき
る。したがって、第１の撥水層１３を構成するカーボン
粒子と反応層８を構成するカーボン粒子とは同じ平均粒
径を有するものとすることが好ましい。本発明者の検討
によれば、第１の撥水層１３を構成するカーボン粒子２
１の平均粒径は０．０１〜１μｍとすることが好まし
い。更に好ましくは０．０１〜０．５μｍであり、更に
更に好ましくは０．０１〜０．１μｍである。
ーボン粒子２１の粒径を選択することにより調整でき
る。したがって、第１の撥水層１３を構成するカーボン
粒子と反応層８を構成するカーボン粒子とは同じ平均粒
径を有するものとすることが好ましい。本発明者の検討
によれば、第１の撥水層１３を構成するカーボン粒子２
１の平均粒径は０．０１〜１μｍとすることが好まし
い。更に好ましくは０．０１〜０．５μｍであり、更に
更に好ましくは０．０１〜０．１μｍである。
【００１６】第１の撥水層１３は次のようにして形成さ
れる。即ち、カーボン粒子とＰＴＦＥとを混合してペー
スト状の撥水カーボンを作製し、これを基部１１である
カーボンクロスの表面に塗布する。そして、所定の温度
で焼成して第１の撥水層１３を得る。なお、このときの
カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合比、焼成温度や焼成時
間によっても第１の撥水層１３の平均空孔径を調整する
ことができる。
れる。即ち、カーボン粒子とＰＴＦＥとを混合してペー
スト状の撥水カーボンを作製し、これを基部１１である
カーボンクロスの表面に塗布する。そして、所定の温度
で焼成して第１の撥水層１３を得る。なお、このときの
カーボン粒子とＰＴＦＥとの混合比、焼成温度や焼成時
間によっても第１の撥水層１３の平均空孔径を調整する
ことができる。
【００１７】空気極１０の表面に水が液体の状態で供給
されるいわゆる水直噴タイプの燃料電池装置の場合（既
述の特願平１０−３７８１６１号参照）、表面側に形成
される第２の撥水層１５は供給された液状の水は弾き、
他方、水蒸気はこれを効率良く通過させる必要がある。
かかる第２の撥水層１５も、第１の撥水層１３と同様
に、カーボン粒子をＰＴＦＥで連結した構成とすること
ができるが、その平均空孔径は１０μｍ以下とすること
が好ましい。平均空孔径が１０μｍを超えると、供給さ
れた液状の水が空気極内に浸入するおそれがあるので好
ましくない。この平均空孔径の下限値は特に限定される
ものではないが、例えば０．０１μｍ未満とすると、空
気の流通抵抗が大きくなるので好ましくない。かかる第
２の撥水層１５を構成するカーボン粒子の平均粒径は
０．０１〜１００μｍとすることが好ましい。この第２
の撥水層１５は、第１の撥水層１３と同様にして形成さ
れる。
されるいわゆる水直噴タイプの燃料電池装置の場合（既
述の特願平１０−３７８１６１号参照）、表面側に形成
される第２の撥水層１５は供給された液状の水は弾き、
他方、水蒸気はこれを効率良く通過させる必要がある。
かかる第２の撥水層１５も、第１の撥水層１３と同様
に、カーボン粒子をＰＴＦＥで連結した構成とすること
ができるが、その平均空孔径は１０μｍ以下とすること
が好ましい。平均空孔径が１０μｍを超えると、供給さ
れた液状の水が空気極内に浸入するおそれがあるので好
ましくない。この平均空孔径の下限値は特に限定される
ものではないが、例えば０．０１μｍ未満とすると、空
気の流通抵抗が大きくなるので好ましくない。かかる第
２の撥水層１５を構成するカーボン粒子の平均粒径は
０．０１〜１００μｍとすることが好ましい。この第２
の撥水層１５は、第１の撥水層１３と同様にして形成さ
れる。
【００１８】次に、図３に示した燃料電池１を備えた水
直噴タイプの燃料電池装置３０の例を図４に示す。図４
に示すように、この燃料電池装置３０は燃料電池本体
１、燃料ガスとしての水素ガス供給系４０、空気供給系
５０、水供給系６０から概略構成される。
直噴タイプの燃料電池装置３０の例を図４に示す。図４
に示すように、この燃料電池装置３０は燃料電池本体
１、燃料ガスとしての水素ガス供給系４０、空気供給系
５０、水供給系６０から概略構成される。
【００１９】燃料電池本体１において空気極１０の上方
及び下方にはそれぞれ空気を吸入、排気するための空気
マニホールド３４、３５が形成されている。上方のマニ
ホールド３４にはノズル６１を取り付けるための取付孔
が形成されている。ノズル６１から噴出される水の噴出
角度には制限があり、かつ水を霧状にしてこれを空気極
１０の全面に行き渡らせるには、ノズルと空気極１０と
の間に所定の間隔が必要になる。従って、このマニホー
ルド３４は比較的背の高いものとなる。一方、下側の空
気マニホールド３５は滴下した水を効率よく排出できる
ものとする。なお、ノズルはマニホールド３４の側面に
設けることもできる。かかるノズルより噴出される水は
マニホールド３４内の全域に行き渡り、よって空気極１
０の全面に行き渡ることとなる。ノズルをマニホールド
３４の側面に設けることにより、低いマニホールドが採
用できる。よって燃料電池本体の小型化を図ることがで
きる。
及び下方にはそれぞれ空気を吸入、排気するための空気
マニホールド３４、３５が形成されている。上方のマニ
ホールド３４にはノズル６１を取り付けるための取付孔
が形成されている。ノズル６１から噴出される水の噴出
角度には制限があり、かつ水を霧状にしてこれを空気極
１０の全面に行き渡らせるには、ノズルと空気極１０と
の間に所定の間隔が必要になる。従って、このマニホー
ルド３４は比較的背の高いものとなる。一方、下側の空
気マニホールド３５は滴下した水を効率よく排出できる
ものとする。なお、ノズルはマニホールド３４の側面に
設けることもできる。かかるノズルより噴出される水は
マニホールド３４内の全域に行き渡り、よって空気極１
０の全面に行き渡ることとなる。ノズルをマニホールド
３４の側面に設けることにより、低いマニホールドが採
用できる。よって燃料電池本体の小型化を図ることがで
きる。
【００２０】図５に示すように、上記空気極１０−電解
質膜３−燃料極５の単位ユニットは薄い膜状であり、一
対のカーボン製コネクタ板３６、３７により挟持されて
いる。空気極１０に対向するコネクタ板３６の面には空
気を流通させるための溝３８が複数条形成されている。
各溝３８は上下方向に形成されてマニホールド３４、３
５を連通している。その結果、ノズル６１より供給され
る霧状の水は当該溝３８に沿って空気極１−の下側部分
まで達する。同様に、燃料極５に対向するコネクタ板３
７の面には水素ガスを流通させるための溝３９が形成さ
れている。実施例ではこの溝３９を水平方向に複数条形
成した。実際の装置ではこの単位ユニットが複数枚積層
されている（燃料電池スタック）。
質膜３−燃料極５の単位ユニットは薄い膜状であり、一
対のカーボン製コネクタ板３６、３７により挟持されて
いる。空気極１０に対向するコネクタ板３６の面には空
気を流通させるための溝３８が複数条形成されている。
各溝３８は上下方向に形成されてマニホールド３４、３
５を連通している。その結果、ノズル６１より供給され
る霧状の水は当該溝３８に沿って空気極１−の下側部分
まで達する。同様に、燃料極５に対向するコネクタ板３
７の面には水素ガスを流通させるための溝３９が形成さ
れている。実施例ではこの溝３９を水平方向に複数条形
成した。実際の装置ではこの単位ユニットが複数枚積層
されている（燃料電池スタック）。
【００２１】水素ガス供給系４０の水素源４１として、
この実施例では水素吸蔵合金からなる水素ボンベを利用
した。その他、水／メタノール混合液等の改質原料を改
質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成さ
せ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素
源とすることもできる。勿論、燃料電池装置１を室内外
で固定して使用する場合には、水素配管を水素源とする
ことができる。水素源４１と燃料極５とは水素供給調圧
弁４３を介して水素ガス供給路４２により接続されてい
る。調圧弁４３は燃料極５に供給する水素ガスの圧力を
調整するものであり、汎用的な構成のものを利用でき
る。
この実施例では水素吸蔵合金からなる水素ボンベを利用
した。その他、水／メタノール混合液等の改質原料を改
質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成さ
せ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素
源とすることもできる。勿論、燃料電池装置１を室内外
で固定して使用する場合には、水素配管を水素源とする
ことができる。水素源４１と燃料極５とは水素供給調圧
弁４３を介して水素ガス供給路４２により接続されてい
る。調圧弁４３は燃料極５に供給する水素ガスの圧力を
調整するものであり、汎用的な構成のものを利用でき
る。
【００２２】燃料極５からの排気ガスは排気ガス路４４
を通じて空気マニホールド３４へ供給され、ここで空気
と混合される。排気ガス路４４にはこれを開閉するため
の水素排気弁４５が配設されている。
を通じて空気マニホールド３４へ供給され、ここで空気
と混合される。排気ガス路４４にはこれを開閉するため
の水素排気弁４５が配設されている。
【００２３】空気極１０には図示しないブロアによって
大気中より空気が供給される。図の符号５１は空気の供
給路であり空気極１０のマニホールド３４に連結されて
いる。下側のマニホールド３５には空気極１０を通過し
た空気を循環若しくは排気するための空気路５２が連結
され、水を分離する凝縮器５３を介して排気ガスは排気
路５６へ送られる。空気排気調圧弁５４の開度により排
気路５６から排気される量が調節される。また、排気調
圧弁５４を省略し、排気ガスをそのまま大気へ排出する
構成とすることもできる。
大気中より空気が供給される。図の符号５１は空気の供
給路であり空気極１０のマニホールド３４に連結されて
いる。下側のマニホールド３５には空気極１０を通過し
た空気を循環若しくは排気するための空気路５２が連結
され、水を分離する凝縮器５３を介して排気ガスは排気
路５６へ送られる。空気排気調圧弁５４の開度により排
気路５６から排気される量が調節される。また、排気調
圧弁５４を省略し、排気ガスをそのまま大気へ排出する
構成とすることもできる。
【００２４】凝縮器５３で分離された水はタンク６２へ
送られる。タンク６２には水位センサ６３が付設され
る。この水位センサ６３により、タンク６２の水位が所
定の値以下となると、アラーム６４が点滅してオペレー
タに水不足を知らせる。
送られる。タンク６２には水位センサ６３が付設され
る。この水位センサ６３により、タンク６２の水位が所
定の値以下となると、アラーム６４が点滅してオペレー
タに水不足を知らせる。
【００２５】実施例の水供給系６０では、タンク６２か
ら水供給路６５がポンプ６６、水圧センサ６７及び調圧
弁６８を介して、ノズル６１まで連結されている。調圧
弁６８により所望の水圧に調節された水はノズル６１か
ら吹き出して空気マニホールド３４内では霧状になる。
そして、吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および
空気流等によって空気極１０の実質的な全面に液状の水
が供給される。
ら水供給路６５がポンプ６６、水圧センサ６７及び調圧
弁６８を介して、ノズル６１まで連結されている。調圧
弁６８により所望の水圧に調節された水はノズル６１か
ら吹き出して空気マニホールド３４内では霧状になる。
そして、吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および
空気流等によって空気極１０の実質的な全面に液状の水
が供給される。
【００２６】このようにして空気極１０の表面に供給さ
れた水はそこで周囲の空気及び電極表面から潜熱を奪っ
て蒸発する。これにより、電解質膜３の水分の蒸発が防
止される。また、空気極１０へ供給された水は空気極１
０からも潜熱を奪うので、これを冷却する作用もある。
特に、始動時に水を供給したとき、水素と空気の燃焼に
より膜、触媒がダメージを受けることを予防できる。
れた水はそこで周囲の空気及び電極表面から潜熱を奪っ
て蒸発する。これにより、電解質膜３の水分の蒸発が防
止される。また、空気極１０へ供給された水は空気極１
０からも潜熱を奪うので、これを冷却する作用もある。
特に、始動時に水を供給したとき、水素と空気の燃焼に
より膜、触媒がダメージを受けることを予防できる。
【００２７】図中の符号７０は電圧計であり、空気極１
０と燃料極５との間の電圧を計測する。
０と燃料極５との間の電圧を計測する。
【００２８】次に、上記燃料電池装置３０を用いて、第
１の撥水層１３における平均空孔径を変化させたときの
燃料電池１の出力を電圧計７０で測定した。なお、反応
層８の平均空孔径は０．０３μｍである。図６は第１の
撥水層１３の平均空孔径を６μｍ、３μｍ、０．２μｍ
としたときの電流密度と電圧との関係を示す。図６よ
り、平均空孔径が小さくなるにつれ大きな電力の得られ
ることがわかる。
１の撥水層１３における平均空孔径を変化させたときの
燃料電池１の出力を電圧計７０で測定した。なお、反応
層８の平均空孔径は０．０３μｍである。図６は第１の
撥水層１３の平均空孔径を６μｍ、３μｍ、０．２μｍ
としたときの電流密度と電圧との関係を示す。図６よ
り、平均空孔径が小さくなるにつれ大きな電力の得られ
ることがわかる。
【００２９】図７は第１の撥水層１３の平均空孔径と活
性化過電圧低減量との関係を示す。なお、この活性化過
電圧は所定の電流密度における各平均空孔径における電
圧値として求めている。この活性化過電圧は濃度過電圧
及び抵抗過電圧の無視できる低電流密度（０．００１〜
０．１Ａ／ｃｍ２）領域、即ちＴａｆｅｌ則に従う領域
において測定した。図７の結果から、第１の撥水層１３
の平均空孔径が反応層のそれに近づくにつれ活性化過電
圧も低減することがわかる。
性化過電圧低減量との関係を示す。なお、この活性化過
電圧は所定の電流密度における各平均空孔径における電
圧値として求めている。この活性化過電圧は濃度過電圧
及び抵抗過電圧の無視できる低電流密度（０．００１〜
０．１Ａ／ｃｍ２）領域、即ちＴａｆｅｌ則に従う領域
において測定した。図７の結果から、第１の撥水層１３
の平均空孔径が反応層のそれに近づくにつれ活性化過電
圧も低減することがわかる。
【００３０】この発明は、上記発明の実施の形態及び実
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図１】図１は燃料電池における過電圧の影響を説明す
るグラフである。
るグラフである。
【図２】図２はこの発明の作用を説明するための撥水層
と反応層の模式図である。
と反応層の模式図である。
【図３】図３はこの発明の燃料電池の構成を示す模式図
である。
である。
【図４】図４はこの発明の実施例の燃料電池装置を示す
ブロック構成図である。
ブロック構成図である。
【図５】図５は同じく実施例の燃料電池の構成を示す断
面図である。
面図である。
【図６】図６は実施例の燃料電池において、第１の撥水
層の平均空孔径を変化させた場合の電流密度と電圧の関
係を示すグラフである。
層の平均空孔径を変化させた場合の電流密度と電圧の関
係を示すグラフである。
【図７】図７は同じく第１の撥水層の平均空孔径と活性
化過電圧との関係を示すグラフである。
化過電圧との関係を示すグラフである。
１ 燃料電池 ３ 電解質膜 ５ 燃料極 ８、９ 反応層 １０ 空気極 １３ 第１の撥水層 １５ 第２の撥水層 ３０ 燃料電池装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10
Claims (16)
- 【請求項１】 反応層を介して電解質膜に接する燃料電
池用空気極であって、 前記空気極の前記反応層と接する面は撥水層とされ、該
撥水層の平均空孔径は前記反応層の平均空孔径と実質的
に等しいこと、を特徴とする燃料電池用空気極。 - 【請求項２】 前記撥水層の平均空孔径は０．００１〜
１．０μｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池用空気極。 - 【請求項３】 前記撥水層の平均空孔径は０．０１〜
０．１０μｍである、ことを特徴とする請求項１に記載
の燃料電池用空気極。 - 【請求項４】 前記撥水層の平均空孔径は０．０３〜
０．０６μｍである、ことを特徴とする請求項１に記載
の燃料電池用空気極。 - 【請求項５】カーボン粒子に触媒を担持して成る反応層
を介して電解質膜に接する燃料電池用空気極であって、 前記空気極の前記反応層と接する面は撥水層とされ、該
撥水層はカーボン粒子を撥水性の材料で連結してなり、
該カーボン粒子の平均粒径は前記反応層のカーボン粒子
の平均粒径と実質的に等しい、ことを特徴とする燃料電
池用空気極。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電
池用空気極を備えてなる燃料電池。 - 【請求項７】 請求項６に記載の燃料電池と、該燃料電
池に空気を供給する手段と、前記燃料装置に燃料ガスを
供給する手段と、を備えてなる燃料電池装置。 - 【請求項８】 空気極の表面に水が液体の状態で供給さ
れる燃料電池に使用される空気極であって、 前記空気極において反応層と接する面は、前記反応層の
平均空孔径と実質的に等しい平均空孔径を有する第１の
撥水層からなり、 前記空気極の表面は、前記液体状態の水を撥水し気体状
態の水は通過させる第２の撥水層からなる、ことを特徴
とする燃料電池用空気極。 - 【請求項９】 前記第１の撥水層の平均空孔径は０．０
０１〜１．０μｍである、ことを特徴とする請求項８に
記載の燃料電池用空気極。 - 【請求項１０】 前記第１の撥水層の平均空孔径は０．
０１〜０．１０μｍである、ことを特徴とする請求項８
に記載の燃料電池用空気極。 - 【請求項１１】 前記第１の撥水層の平均空孔径は０．
０３〜０．０６μｍである、ことを特徴とする請求項８
に記載の燃料電池用空気極。 - 【請求項１２】 空気極の表面に水が液体の状態で供給
される燃料電池に使用される空気極であって、 前記空気極において反応層と接する面は、前記反応層を
構成するカーボン粒子と実質的に同じ平均粒径を有する
カーボン粒子で構成される第１の撥水層からなり、 前記空気極の表面は、前記液体状態の水を撥水し気体状
態の水は通過させる第２の撥水層からなる、ことを特徴
とする燃料電池用空気極。 - 【請求項１３】 請求項８〜１２のいずれかに記載の燃
料電池用空気極を備えてなる燃料電池。 - 【請求項１４】 請求項１３に記載の燃料電池と、該燃
料電池に空気を供給する手段と、前記燃料装置に燃料ガ
スを供給する手段と、を備えてなる燃料電池装置。 - 【請求項１５】 空気極の表面に水が液体の状態で供給
される燃料電池に使用される空気極であって、 前記空気極の表面は０．０１〜１０μｍの平均空孔径を
有する撥水層からなる、ことを特徴とする燃料電池用空
気極。 - 【請求項１６】 空気極の表面に水が液体の状態で供給
される燃料電池に使用される空気極であって、 前記空気極の表面は０．０１〜１００μｍの平均粒子径
を有するカーボン粒子を有する撥水層からなる、ことを
特徴とする燃料電池用空気極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21940999A JP4742395B2 (ja) | 1999-08-03 | 1999-08-03 | 燃料電池用空気極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21940999A JP4742395B2 (ja) | 1999-08-03 | 1999-08-03 | 燃料電池用空気極 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001052717A true JP2001052717A (ja) | 2001-02-23 |
| JP4742395B2 JP4742395B2 (ja) | 2011-08-10 |
Family
ID=16734959
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21940999A Expired - Fee Related JP4742395B2 (ja) | 1999-08-03 | 1999-08-03 | 燃料電池用空気極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4742395B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002313359A (ja) * | 2001-04-17 | 2002-10-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
| WO2004006364A1 (ja) * | 2002-07-03 | 2004-01-15 | Nec Corporation | 液体燃料供給型燃料電池、燃料電池用電極、およびそれらの製造方法 |
| JP2007027055A (ja) * | 2005-07-21 | 2007-02-01 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池及び燃料電池システム |
| JP2008276949A (ja) * | 2007-04-25 | 2008-11-13 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 |
| JP2013062117A (ja) * | 2011-09-13 | 2013-04-04 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
Citations (6)
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| JP2000182626A (ja) * | 1998-12-15 | 2000-06-30 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池用電極、その製造方法及び燃料電池 |
-
1999
- 1999-08-03 JP JP21940999A patent/JP4742395B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4742395B2 (ja) | 2011-08-10 |
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