JP2003123777A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
高分子電解質型燃料電池Info
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- JP2003123777A JP2003123777A JP2001321664A JP2001321664A JP2003123777A JP 2003123777 A JP2003123777 A JP 2003123777A JP 2001321664 A JP2001321664 A JP 2001321664A JP 2001321664 A JP2001321664 A JP 2001321664A JP 2003123777 A JP2003123777 A JP 2003123777A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 触媒表面で生成する過酸化物を速やかに分解
して水素イオン伝導性高分子電解質の分解を抑制し、酸
化剤ガスの湿度が低い場合でも良好な発電効率を長時間
維持できる高分子電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 電極が水素イオン伝導性高分子電解質膜
に接触した触媒層を具備し、電極の少なくとも一方の触
媒層は、水素イオン伝導性高分子電解質と、触媒粒子を
担持した導電性炭素粒子と、過酸化物分解触媒とを有す
る高分子電質型燃料電池。
して水素イオン伝導性高分子電解質の分解を抑制し、酸
化剤ガスの湿度が低い場合でも良好な発電効率を長時間
維持できる高分子電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 電極が水素イオン伝導性高分子電解質膜
に接触した触媒層を具備し、電極の少なくとも一方の触
媒層は、水素イオン伝導性高分子電解質と、触媒粒子を
担持した導電性炭素粒子と、過酸化物分解触媒とを有す
る高分子電質型燃料電池。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】高分子電解質型燃料電池に関
し、特にその構成要素である電極に関する。
し、特にその構成要素である電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池の電極では、反
応ガスの供給路となる細孔と、水素イオン導電性高分子
電解質と、電子導電体である触媒材料とが形成する、い
わゆる三相界面の面積の大小が、電池の放電性能を左右
する。従来、この三相界面を増大させ、触媒材料である
貴金属の使用量を低減するために、触媒材料に水素イオ
ン伝導性高分子電解質を混合分散させる試みがなされて
きた。例えば、特公昭６２−６１１１８号公報、特公昭
６２−６１１１９号公報に記載の技術では、高分子電解
質を分散した溶液と、触媒材料との混合物を高分子電解
質膜上に塗着し、これを電極材料と合わせてホットプレ
スした後、触媒材料を還元する方法が提案されている。
応ガスの供給路となる細孔と、水素イオン導電性高分子
電解質と、電子導電体である触媒材料とが形成する、い
わゆる三相界面の面積の大小が、電池の放電性能を左右
する。従来、この三相界面を増大させ、触媒材料である
貴金属の使用量を低減するために、触媒材料に水素イオ
ン伝導性高分子電解質を混合分散させる試みがなされて
きた。例えば、特公昭６２−６１１１８号公報、特公昭
６２−６１１１９号公報に記載の技術では、高分子電解
質を分散した溶液と、触媒材料との混合物を高分子電解
質膜上に塗着し、これを電極材料と合わせてホットプレ
スした後、触媒材料を還元する方法が提案されている。
【０００３】また、特公平２−４８６３２号公報では、
多孔質電極を成型後、電極上にイオン交換膜樹脂を分散
した溶液を散布し、この電極とイオン交換膜とをホット
プレスする方法が提案されている。さらに、特開平３−
１８４２６６号公報では高分子樹脂表面に高分子電解質
を被覆した粉末、特開平３−２９５１７２号公報では高
分子電解質の粉末を電極中に混合する方法が提案されて
いる。また、特開平５−３６４１８号公報では、高分子
電解質と触媒と炭素粉末とフッ素樹脂を混合し、成膜し
て電極とする方法が提案されている。また、米国特許第
５２１１９８４号に記載の技術では、グリセリンもしく
はテトラブチルアンモニウム塩を溶媒として、これに高
分子電解質と触媒と炭素粉末とをインク状に分散した溶
液を作製し、これをポリテトラフルオロエチレン（以
下、ＰＴＦＥという）製フィルム上に成型した後、固体
高分子電解質膜表面に転写する方法や、固体高分子電解
質膜の交換基をＮａ型に置換し、その膜の表面に前記の
インク状分散液を塗布して１２５度以上で加熱乾燥し、
交換基を再度Ｈ型に置換する方法などが報告されてい
る。
多孔質電極を成型後、電極上にイオン交換膜樹脂を分散
した溶液を散布し、この電極とイオン交換膜とをホット
プレスする方法が提案されている。さらに、特開平３−
１８４２６６号公報では高分子樹脂表面に高分子電解質
を被覆した粉末、特開平３−２９５１７２号公報では高
分子電解質の粉末を電極中に混合する方法が提案されて
いる。また、特開平５−３６４１８号公報では、高分子
電解質と触媒と炭素粉末とフッ素樹脂を混合し、成膜し
て電極とする方法が提案されている。また、米国特許第
５２１１９８４号に記載の技術では、グリセリンもしく
はテトラブチルアンモニウム塩を溶媒として、これに高
分子電解質と触媒と炭素粉末とをインク状に分散した溶
液を作製し、これをポリテトラフルオロエチレン（以
下、ＰＴＦＥという）製フィルム上に成型した後、固体
高分子電解質膜表面に転写する方法や、固体高分子電解
質膜の交換基をＮａ型に置換し、その膜の表面に前記の
インク状分散液を塗布して１２５度以上で加熱乾燥し、
交換基を再度Ｈ型に置換する方法などが報告されてい
る。
【０００４】ところが、上述の高分子電解質型燃料電池
では、固体高分子電解質膜と電極との界面に形成された
触媒層で、電池反応によって過酸化物が生成する。生成
した過酸化物は、拡散しながら過酸化物ラジカルとな
り、電解質を劣化させる。燃料電池では燃料極で燃料の
酸化、酸素極で酸素の還元が行われるが、これらの主反
応の他に副反応が起こる。その代表的なものが過酸化水
素(H2O2)の生成である。
では、固体高分子電解質膜と電極との界面に形成された
触媒層で、電池反応によって過酸化物が生成する。生成
した過酸化物は、拡散しながら過酸化物ラジカルとな
り、電解質を劣化させる。燃料電池では燃料極で燃料の
酸化、酸素極で酸素の還元が行われるが、これらの主反
応の他に副反応が起こる。その代表的なものが過酸化水
素(H2O2)の生成である。
【０００５】これらの電極上で発生した過酸化水素は、
電極から拡散等のため離れ、電解質中に移動する。この
過酸化水素は酸化力の強い物質で、電解質を構成する多
くの有機物を酸化する。
電極から拡散等のため離れ、電解質中に移動する。この
過酸化水素は酸化力の強い物質で、電解質を構成する多
くの有機物を酸化する。
【０００６】このような過酸化物による電解質膜の劣化
を抑制するために、例えば、特開平６−１０３９９２号
公報には、電解質内に触媒金属を担持し、過酸化物を分
解する技術も開示されている。また特開2001-118591号
公報には、電解質材料中に過酸化物を接触分解する触媒
能を有する遷移金属酸化物を分散配合する技術が開示さ
れている。
を抑制するために、例えば、特開平６−１０３９９２号
公報には、電解質内に触媒金属を担持し、過酸化物を分
解する技術も開示されている。また特開2001-118591号
公報には、電解質材料中に過酸化物を接触分解する触媒
能を有する遷移金属酸化物を分散配合する技術が開示さ
れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら過酸化物
による電解質の劣化は、電解質膜でのみ起こるものでは
なく、触媒層中の水素イオン伝導性高分子電解質をも分
解する。過酸化物による電解質の分解は、重金属が存在
すると顕著になるため、触媒層内でより活発に分解が起
こる。
による電解質の劣化は、電解質膜でのみ起こるものでは
なく、触媒層中の水素イオン伝導性高分子電解質をも分
解する。過酸化物による電解質の分解は、重金属が存在
すると顕著になるため、触媒層内でより活発に分解が起
こる。
【０００８】さらに電極では、反応ガスの拡散性を確保
しなければならず、触媒層中に高分子電解質を多量に配
置することは難しい。このため、わずかな量の高分子電
解質が分解しただけでも、大きな割合の高分子電解質が
損失したことになる。
しなければならず、触媒層中に高分子電解質を多量に配
置することは難しい。このため、わずかな量の高分子電
解質が分解しただけでも、大きな割合の高分子電解質が
損失したことになる。
【０００９】高分子電解質型燃料電池での、過酸化物に
よる電解質の劣化は、電解質膜そのものよりも触媒層中
に配置した水素イオン伝導性高分子電解質に与えるダメ
ージがきついことになる。さらに水素イオン伝導性高分
子電解質の分解は、酸化剤ガス側が顕著である。
よる電解質の劣化は、電解質膜そのものよりも触媒層中
に配置した水素イオン伝導性高分子電解質に与えるダメ
ージがきついことになる。さらに水素イオン伝導性高分
子電解質の分解は、酸化剤ガス側が顕著である。
【００１０】このような水素イオン伝導性高分子電解質
の分解によって、燃料電池の発電効率が運転時間の経過
と共に低下する。供給する酸化剤ガスの湿度が高く、触
媒層に十分な水が供給されている時には、触媒層内の過
酸化物の濃度が薄められ、発電に伴って発生する水と共
に触媒層から排出されるので、水素イオン伝導性高分子
電解質の分解は顕著ではない。しかし、供給する酸化剤
ガスの湿度が低い場合には、触媒層中の過酸化物の濃度
が高くなるため、深刻な水素イオン伝導性高分子電解質
の分解が起こり、著しい発電効率の劣化を引き起こす。
の分解によって、燃料電池の発電効率が運転時間の経過
と共に低下する。供給する酸化剤ガスの湿度が高く、触
媒層に十分な水が供給されている時には、触媒層内の過
酸化物の濃度が薄められ、発電に伴って発生する水と共
に触媒層から排出されるので、水素イオン伝導性高分子
電解質の分解は顕著ではない。しかし、供給する酸化剤
ガスの湿度が低い場合には、触媒層中の過酸化物の濃度
が高くなるため、深刻な水素イオン伝導性高分子電解質
の分解が起こり、著しい発電効率の劣化を引き起こす。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するもので、触媒表面で生成する過酸化物を速やかに
分解することで、水素イオン伝導性高分子電解質の分解
を抑制し、供給する酸化剤ガスの湿度が低い場合におい
ても、良好な発電効率を長期間維持することを目的とす
る。
決するもので、触媒表面で生成する過酸化物を速やかに
分解することで、水素イオン伝導性高分子電解質の分解
を抑制し、供給する酸化剤ガスの湿度が低い場合におい
ても、良好な発電効率を長期間維持することを目的とす
る。
【００１２】このため、本発明の高分子電解質型燃料電
池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イ
オン伝導性高分子電解質膜を挟んだ位置に配置した一対
の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し他方
に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセ
パレータとを具備した燃料電池において、前記電極は前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層を
具備し、前記電極の少なくとも一方の触媒層は、水素イ
オン伝導性高分子電解質と、触媒粒子を担持した導電性
炭素粒子と、過酸化物分解触媒とを有することを特徴と
する。
池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イ
オン伝導性高分子電解質膜を挟んだ位置に配置した一対
の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し他方
に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセ
パレータとを具備した燃料電池において、前記電極は前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層を
具備し、前記電極の少なくとも一方の触媒層は、水素イ
オン伝導性高分子電解質と、触媒粒子を担持した導電性
炭素粒子と、過酸化物分解触媒とを有することを特徴と
する。
【００１３】このとき、水素イオン伝導性高分子電解質
膜と触媒層との界面に過酸化物分解触媒を配置したこと
が有効である。
膜と触媒層との界面に過酸化物分解触媒を配置したこと
が有効である。
【００１４】以上では、過酸化物分解触媒と電極との間
を電子的に絶縁したことが有効である。また、過酸化物
分解触媒を、電気絶縁性の粒子に担持したことが有効で
ある。さらに、過酸化物分解触媒が、ルテニウム、マン
ガン、コバルト、クロム、ニッケル、イリジウム、鉄、
バナジウムから選ばれる金属もしくはこれらの酸化物、
または前記金属を含む合金であることが望ましい。
を電子的に絶縁したことが有効である。また、過酸化物
分解触媒を、電気絶縁性の粒子に担持したことが有効で
ある。さらに、過酸化物分解触媒が、ルテニウム、マン
ガン、コバルト、クロム、ニッケル、イリジウム、鉄、
バナジウムから選ばれる金属もしくはこれらの酸化物、
または前記金属を含む合金であることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】過酸化物分解触媒としては、酸素
との親和性が良い金属を用いることが望ましい。このよ
うな金属としてルテニウム、マンガン、コバルト、クロ
ム、ニッケル、イリジウム、鉄、バナジウムが挙げられ
る。これらの金属を単独で用いても良いが、他の金属と
の合金にしても良い。またこれらの金属の酸化物も良好
な過酸化物分解性を示す。
との親和性が良い金属を用いることが望ましい。このよ
うな金属としてルテニウム、マンガン、コバルト、クロ
ム、ニッケル、イリジウム、鉄、バナジウムが挙げられ
る。これらの金属を単独で用いても良いが、他の金属と
の合金にしても良い。またこれらの金属の酸化物も良好
な過酸化物分解性を示す。
【００１６】これらの金属の使用量を低減して、有効な
過酸化水素分解性を発揮させるために、過酸化水素分解
触媒を微粒子の状態で担体に担持させて、触媒の比表面
積を上げることが必要である。担体としては、カーボン
ブラック、ジルコニア、アルミナ、ゼオライト、シリカ
等を用いることができる。
過酸化水素分解性を発揮させるために、過酸化水素分解
触媒を微粒子の状態で担体に担持させて、触媒の比表面
積を上げることが必要である。担体としては、カーボン
ブラック、ジルコニア、アルミナ、ゼオライト、シリカ
等を用いることができる。
【００１７】これらの過酸化物分解触媒を電極の触媒層
中に混合させておけば良いが、電極と電気的に接触して
いる触媒は、表面の電位が電極と同じ電位になり、有効
に過酸化水素を分解できない。このため、触媒は電極と
電気的に絶縁していることが望ましい。カーボンブラッ
クのような導電性の担体に担持された触媒は、触媒中に
混合すると一部の触媒は電極との電気的接触が保てない
ために、絶縁するが、これをより有効に絶縁させるため
には、あらかじめ水素イオン伝導性高分子電解質でコー
ティングしておくことが有効である。
中に混合させておけば良いが、電極と電気的に接触して
いる触媒は、表面の電位が電極と同じ電位になり、有効
に過酸化水素を分解できない。このため、触媒は電極と
電気的に絶縁していることが望ましい。カーボンブラッ
クのような導電性の担体に担持された触媒は、触媒中に
混合すると一部の触媒は電極との電気的接触が保てない
ために、絶縁するが、これをより有効に絶縁させるため
には、あらかじめ水素イオン伝導性高分子電解質でコー
ティングしておくことが有効である。
【００１８】また、ジルコニアやアルミナ、ゼオライ
ト、シリカのような絶縁性の担体に担持された触媒を用
いれば、容易に電極から絶縁することができる。
ト、シリカのような絶縁性の担体に担持された触媒を用
いれば、容易に電極から絶縁することができる。
【００１９】
【実施例】次に本発明の実施例を具体的に説明する。
【００２０】（実施例１）過酸化物分解触媒として、ル
テニウムと白金の合金をカーボンブラックに担持した触
媒2ｇ（田中貴金属製TEC61E54、Pt濃度30重量％、Ru濃
度24重量％）に、電子的な絶縁性を付与するために水素
イオン伝導性高分子電解質を分散した溶液１１ｇ（旭硝
子製、製品名：フレミオン、９重量％のエタノール溶
液）を窒素雰囲気下で混合し、乾燥固化させた後に粉砕
し、水素イオン伝導性高分子電解質でコーティングされ
た過酸化物分解触媒を約3ｇ得た。
テニウムと白金の合金をカーボンブラックに担持した触
媒2ｇ（田中貴金属製TEC61E54、Pt濃度30重量％、Ru濃
度24重量％）に、電子的な絶縁性を付与するために水素
イオン伝導性高分子電解質を分散した溶液１１ｇ（旭硝
子製、製品名：フレミオン、９重量％のエタノール溶
液）を窒素雰囲気下で混合し、乾燥固化させた後に粉砕
し、水素イオン伝導性高分子電解質でコーティングされ
た過酸化物分解触媒を約3ｇ得た。
【００２１】これに燃料電池電極用触媒として白金をカ
ーボンブラックに担持した触媒5ｇ（田中貴金属製TEC10
E50E、Pt濃度50重量％）、水素イオン伝導性高分子電解
質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子製、製品名：フレミオ
ン、９重量％のエタノール溶液）、水5ｇを加えて混合
した混合液を、ポリプロピレンシートの表面にバーコー
ダで塗布し乾燥することで、酸化剤極側触媒層とした。
触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ2当り０．３
ｍｇになるように調整した。
ーボンブラックに担持した触媒5ｇ（田中貴金属製TEC10
E50E、Pt濃度50重量％）、水素イオン伝導性高分子電解
質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子製、製品名：フレミオ
ン、９重量％のエタノール溶液）、水5ｇを加えて混合
した混合液を、ポリプロピレンシートの表面にバーコー
ダで塗布し乾燥することで、酸化剤極側触媒層とした。
触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ2当り０．３
ｍｇになるように調整した。
【００２２】この触媒層付きポリプロピレンシートを6
ｃｍ角に切り、3％過酸化水素水500ｍｌを加えて発生す
る酸素の量を測ったところ、図１のように良好な過酸化
水素分解性を示した。
ｃｍ角に切り、3％過酸化水素水500ｍｌを加えて発生す
る酸素の量を測ったところ、図１のように良好な過酸化
水素分解性を示した。
【００２３】水素イオン伝導性高分子電解質膜（ジャパ
ンゴアテックス社製：ゴア−セレクト、膜厚３０μｍ）
を、前述の触媒層付きの２組のポリプロピレンシートで
触媒層が内側になるように挟み、１３０℃で１０分間ホ
ットプレスした後、ポリプロピレンシートを除去し、カ
ーボンペーパー（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０、膜厚３
６０μｍ）で挟んで、電極膜接合体（ＭＥＡ）とした。
その構造を図２に示した。前記のＭＥＡを用い、燃料電
池特性測定用セル（単セル）を組み立て試験を行った。
図3に単セル構成図を示した。
ンゴアテックス社製：ゴア−セレクト、膜厚３０μｍ）
を、前述の触媒層付きの２組のポリプロピレンシートで
触媒層が内側になるように挟み、１３０℃で１０分間ホ
ットプレスした後、ポリプロピレンシートを除去し、カ
ーボンペーパー（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０、膜厚３
６０μｍ）で挟んで、電極膜接合体（ＭＥＡ）とした。
その構造を図２に示した。前記のＭＥＡを用い、燃料電
池特性測定用セル（単セル）を組み立て試験を行った。
図3に単セル構成図を示した。
【００２４】単セルの温度は７５℃に設定し、活物質と
して負極側には水素ガスを露点７０℃で加湿し、利用率
８０％、正極には空気を露点４５℃で加湿し、利用率４
０％に調製し、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2の電流を流
しながら放電試験を行ったところ、長時間運転してもセ
ルの電圧はほとんど低下しなかった。図４にセルの電圧
の経時変化を示した。
して負極側には水素ガスを露点７０℃で加湿し、利用率
８０％、正極には空気を露点４５℃で加湿し、利用率４
０％に調製し、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2の電流を流
しながら放電試験を行ったところ、長時間運転してもセ
ルの電圧はほとんど低下しなかった。図４にセルの電圧
の経時変化を示した。
【００２５】なお、以上では、過酸化物分解触媒とし
て、ルテニウムと白金の合金をカーボンブラックに担持
した触媒を用いたが、代わりにルテニウム、白金―コバ
ルト合金、白金―クロム合金、白金―ニッケル合金、イ
リジウム、白金―イリジウム合金、白金―鉄合金、白金
―バナジウム合金、白金―コバルトークロム合金、白金
―コバルトーニッケル合金をカーボンブラックに担持し
た触媒（すべてＥ-ＴＥＫ社製）を用いた場合にも、若
干の性能低下は見られたものの、ほぼ同じ結果が得られ
た。
て、ルテニウムと白金の合金をカーボンブラックに担持
した触媒を用いたが、代わりにルテニウム、白金―コバ
ルト合金、白金―クロム合金、白金―ニッケル合金、イ
リジウム、白金―イリジウム合金、白金―鉄合金、白金
―バナジウム合金、白金―コバルトークロム合金、白金
―コバルトーニッケル合金をカーボンブラックに担持し
た触媒（すべてＥ-ＴＥＫ社製）を用いた場合にも、若
干の性能低下は見られたものの、ほぼ同じ結果が得られ
た。
【００２６】（比較例１）燃料電池電極用触媒として白
金をカーボンブラックに担持した触媒5ｇ（田中貴金属
製TEC10E50E、Pt濃度50重量％）、水素イオン伝導性高
分子電解質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子製、製品名：
フレミオン、９重量％のエタノール溶液）、水5ｇを加
えて混合した混合液を、ポリプロピレンシートの表面に
バーコーダで塗布し乾燥することで、酸化剤極側触媒層
とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ2当
り０．３ｍｇになるように調整した。
金をカーボンブラックに担持した触媒5ｇ（田中貴金属
製TEC10E50E、Pt濃度50重量％）、水素イオン伝導性高
分子電解質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子製、製品名：
フレミオン、９重量％のエタノール溶液）、水5ｇを加
えて混合した混合液を、ポリプロピレンシートの表面に
バーコーダで塗布し乾燥することで、酸化剤極側触媒層
とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ2当
り０．３ｍｇになるように調整した。
【００２７】この触媒層付きポリプロピレンシートを6
ｃｍ角に切り、実施例１と同様に過酸化水素分解性を調
べたところ、図１のように過酸化水素分解性は良くなか
った。
ｃｍ角に切り、実施例１と同様に過酸化水素分解性を調
べたところ、図１のように過酸化水素分解性は良くなか
った。
【００２８】この触媒層を用いて実施例１と同様に電極
膜接合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル
（単セル）を組み立て試験を行った。実施例１と同様に
放電試験を行ったところ、運転時間の経過と共にセルの
電圧が低下した。図４にセルの電圧の経時変化を示し
た。
膜接合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル
（単セル）を組み立て試験を行った。実施例１と同様に
放電試験を行ったところ、運転時間の経過と共にセルの
電圧が低下した。図４にセルの電圧の経時変化を示し
た。
【００２９】（実施例２）過酸化物分解触媒として、酸
化マンガン粉末1ｇ（関東化学製）に、燃料電池電極用
触媒として白金をカーボンブラックに担持した触媒5ｇ
（田中貴金属製TEC10E50E、Pt濃度50重量％）、水素イ
オン伝導性高分子電解質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子
製、製品名：フレミオン、９重量％のエタノール溶
液）、水5ｇを加えて混合した混合液を、ポリプロピレ
ンシートの表面にバーコーダで塗布し乾燥することで、
酸化剤極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含
有量が１ｃｍ2当り０．３ｍｇになるように調整した。
化マンガン粉末1ｇ（関東化学製）に、燃料電池電極用
触媒として白金をカーボンブラックに担持した触媒5ｇ
（田中貴金属製TEC10E50E、Pt濃度50重量％）、水素イ
オン伝導性高分子電解質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子
製、製品名：フレミオン、９重量％のエタノール溶
液）、水5ｇを加えて混合した混合液を、ポリプロピレ
ンシートの表面にバーコーダで塗布し乾燥することで、
酸化剤極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含
有量が１ｃｍ2当り０．３ｍｇになるように調整した。
【００３０】この触媒層付きポリプロピレンシートを6
ｃｍ角に切り、実施例１と同様に過酸化水素分解性を調
べたところ、図１のように良好な過酸化水素分解性を示
した。
ｃｍ角に切り、実施例１と同様に過酸化水素分解性を調
べたところ、図１のように良好な過酸化水素分解性を示
した。
【００３１】この触媒層を用いて実施例１と同様に電極
膜接合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル
（単セル）を組み立て試験を行った。実施例１と同様に
放電試験を行ったところ、長時間運転してもセルの電圧
はほとんど低下しなかった。図４にセルの電圧の経時変
化を示した。
膜接合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル
（単セル）を組み立て試験を行った。実施例１と同様に
放電試験を行ったところ、長時間運転してもセルの電圧
はほとんど低下しなかった。図４にセルの電圧の経時変
化を示した。
【００３２】また、本実施例では燃料極側と酸化剤極側
の触媒層に同じ物を用いたが、燃料極側の触媒層を比較
例１の触媒層に代えて同様の放電試験を行ったところ、
ほぼ同じ結果が得られた。
の触媒層に同じ物を用いたが、燃料極側の触媒層を比較
例１の触媒層に代えて同様の放電試験を行ったところ、
ほぼ同じ結果が得られた。
【００３３】また、酸化マンガンの代わりに酸化コバル
ト、酸化ルテニウムを用いた場合も同じ結果が得られ
た。
ト、酸化ルテニウムを用いた場合も同じ結果が得られ
た。
【００３４】（実施例３）１０重量％の塩化ルテニウム
水溶液１５．０ｇを水１０００ｍｌに溶かした。
水溶液１５．０ｇを水１０００ｍｌに溶かした。
【００３５】これにジルコニア粉末（関東化学製）１０
ｇを加えて撹拌しながら５％水酸化ナトリウム水溶液を
６０ｍｌを滴下してｐＨを５にした。沈殿を濾過して乾
燥させ、窒素雰囲気下で４００℃に加熱しジルコニア表
面にルテニウムを担持させた過酸化物分解触媒を得た。
ｇを加えて撹拌しながら５％水酸化ナトリウム水溶液を
６０ｍｌを滴下してｐＨを５にした。沈殿を濾過して乾
燥させ、窒素雰囲気下で４００℃に加熱しジルコニア表
面にルテニウムを担持させた過酸化物分解触媒を得た。
【００３６】過酸化物分解触媒1ｇに、燃料電池電極用
触媒として白金をカーボンブラックに担持した触媒5ｇ
（田中貴金属製TEC10E50E、Pt濃度50重量％）、水素イ
オン伝導性高分子電解質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子
製、製品名：フレミオン、９重量％のエタノール溶
液）、水5ｇを加えて混合した混合液を、ポリプロピレ
ンシートの表面にバーコーダで塗布し乾燥することで、
酸化剤極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含
有量が１ｃｍ2当り０．３ｍｇになるように調整した。
触媒として白金をカーボンブラックに担持した触媒5ｇ
（田中貴金属製TEC10E50E、Pt濃度50重量％）、水素イ
オン伝導性高分子電解質を分散した溶液２５ｇ（旭硝子
製、製品名：フレミオン、９重量％のエタノール溶
液）、水5ｇを加えて混合した混合液を、ポリプロピレ
ンシートの表面にバーコーダで塗布し乾燥することで、
酸化剤極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含
有量が１ｃｍ2当り０．３ｍｇになるように調整した。
【００３７】この触媒層付きポリプロピレンシートを6
ｃｍ角に切り、実施例１と同様に過酸化水素分解性を調
べたところ、図１のように良好な過酸化水素分解性を示
した。
ｃｍ角に切り、実施例１と同様に過酸化水素分解性を調
べたところ、図１のように良好な過酸化水素分解性を示
した。
【００３８】この触媒層を用いて実施例１と同様に電極
膜接合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル
（単セル）を組み立て試験を行った。実施例１と同様に
放電試験を行ったところ、長時間運転してもセルの電圧
はほとんど低下しなかった。図４にセルの電圧の経時変
化を示した。
膜接合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル
（単セル）を組み立て試験を行った。実施例１と同様に
放電試験を行ったところ、長時間運転してもセルの電圧
はほとんど低下しなかった。図４にセルの電圧の経時変
化を示した。
【００３９】また、ジルコニアの代わりにアルミナ、ゼ
オライト、シリカを用いた場合も同じ結果が得られた。
オライト、シリカを用いた場合も同じ結果が得られた。
【００４０】（実施例４）過酸化物分解触媒として、ル
テニウムと白金の合金をカーボンブラックに担持した触
媒（田中貴金属製TEC61E54、Pt濃度30重量％、Ru濃度24
重量％）を用い、実施例1と同様に水素イオン伝導性高
分子電解質でコーティングされた過酸化物分解触媒を約
3ｇ得た。
テニウムと白金の合金をカーボンブラックに担持した触
媒（田中貴金属製TEC61E54、Pt濃度30重量％、Ru濃度24
重量％）を用い、実施例1と同様に水素イオン伝導性高
分子電解質でコーティングされた過酸化物分解触媒を約
3ｇ得た。
【００４１】これに水5ｇ、エチレングリコール１０ｇ
を加えてボールミルで混合し、水素イオン伝導性高分子
電解質膜（ジャパンゴアテックス社製：ゴア−セレク
ト、膜厚３０μｍ）の片側にスクリーン印刷法で塗布し
た。触媒の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ2当り０．1
ｍｇになるように調整した。
を加えてボールミルで混合し、水素イオン伝導性高分子
電解質膜（ジャパンゴアテックス社製：ゴア−セレク
ト、膜厚３０μｍ）の片側にスクリーン印刷法で塗布し
た。触媒の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ2当り０．1
ｍｇになるように調整した。
【００４２】この水素イオン伝導性高分子電解質膜を比
較例１と同様の触媒層付きポリプロピレンシートで触媒
層が内側になるように挟み、実施例１と同様に電極膜接
合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル（単
セル）を組み立て試験を行った。その際、過酸化物分解
触媒を塗布した面を酸化剤極側とした。
較例１と同様の触媒層付きポリプロピレンシートで触媒
層が内側になるように挟み、実施例１と同様に電極膜接
合体（ＭＥＡ）を作成し、燃料電池特性測定用セル（単
セル）を組み立て試験を行った。その際、過酸化物分解
触媒を塗布した面を酸化剤極側とした。
【００４３】実施例１と同様に放電試験を行ったとこ
ろ、長時間運転してもセルの電圧はほとんど低下しなか
った。図４にセルの電圧の経時変化を示した。
ろ、長時間運転してもセルの電圧はほとんど低下しなか
った。図４にセルの電圧の経時変化を示した。
【００４４】
【発明の効果】以上の様に本発明は、触媒層中または水
素イオン伝導性高分子電解質膜と触媒層の界面に、過酸
化物分解触媒を配置することで、長時間に渡って高い発
電効率を維持する高分子電解質型燃料電池を提供でき
る。
素イオン伝導性高分子電解質膜と触媒層の界面に、過酸
化物分解触媒を配置することで、長時間に渡って高い発
電効率を維持する高分子電解質型燃料電池を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１から第３の実施例および比較例の
電池の第１の特性を示した図
電池の第１の特性を示した図
【図２】本発明の実施例である電池の構成要素であるＭ
ＥＡの構造を示した図
ＥＡの構造を示した図
【図３】本発明の実施例である電池の単セルの構成を示
した図
した図
【図４】本発明の第１から第４の実施例および比較例の
電池の第２の特性を示した図
電池の第２の特性を示した図
２１ 水素イオン伝導性高分子電解質膜
２２ 触媒層
２３ 多孔質電極
２４ ＭＥＡ
３１ セパレーター
３２ ガス流路
３３ 単セル
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 行天 久朗
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
Ｆターム(参考） 5H018 AS01 BB03 BB06 BB08 BB12
CC06 DD08 EE02 EE03 EE08
EE10 EE12
5H026 AA06 CC03 CX05
Claims (5)
- 【請求項１】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟んだ位置に配置
した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排
出し他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する
一対のセパレータとを具備した燃料電池において、前記
電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触した
触媒層を具備し、前記電極の少なくとも一方の触媒層
は、水素イオン伝導性高分子電解質と、触媒粒子を担持
した導電性炭素粒子と、過酸化物分解触媒とを有するこ
とを特徴とする高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と触媒
層との界面に過酸化物分解触媒を配置したことを特徴と
する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】 過酸化物分解触媒と電極との間を電子的
に絶縁したことを特徴とする請求項1または2に記載の高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項４】 過酸化物分解触媒を、電気絶縁性の粒子
に担持したことを特徴とする請求項1、２または３記載
の高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項５】 過酸化物分解触媒が、ルテニウム、マン
ガン、コバルト、クロム、ニッケル、イリジウム、鉄、
バナジウムから選ばれる金属もしくはこれらの酸化物、
または前記金属を含む合金であることを特徴とする請求
項1、2、３または４記載の高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001321664A JP2003123777A (ja) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | 高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001321664A JP2003123777A (ja) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | 高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003123777A true JP2003123777A (ja) | 2003-04-25 |
Family
ID=19138847
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001321664A Ceased JP2003123777A (ja) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | 高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003123777A (ja) |
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- 2001-10-19 JP JP2001321664A patent/JP2003123777A/ja not_active Ceased
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