JP2005019060A - 固体高分子電解質型燃料電池およびその電極組成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】固体高分子電解質型燃料電池の電極において、三相界面にない白金粒子が触媒として有効に作用できずムダになっていた。
【解決手段】上記課題を解決するために、燃料電極側の導電性基材３の表面に、高いプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物９と電極触媒２とを担持したことを特徴とすることで、三相界面にない電極触媒２で生成されたプロトンは金属酸化物水和物９を介して電解質まで容易に移動でき、三相界面にない多くの電極触媒も有効に作用させることができる。
【選択図】 図２
【解決手段】上記課題を解決するために、燃料電極側の導電性基材３の表面に、高いプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物９と電極触媒２とを担持したことを特徴とすることで、三相界面にない電極触媒２で生成されたプロトンは金属酸化物水和物９を介して電解質まで容易に移動でき、三相界面にない多くの電極触媒も有効に作用させることができる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池およびその電極組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のものにおいては、固体高分子電解質膜の一方に燃料電極、他方に空気電極を設けてなる固体高分子電解質型燃料電池において、白金触媒粒子を導電性基材であるカーボンブラック粒子の表面に担持させた電極組成物と、この電極組成物と接触するようにイオン交換樹脂粒子とが混合された電極触媒層が開示されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３４１２０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来のものでは、イオン交換樹脂およびカーボンブラックとが反応ガスに同時に接触する三相界面に存在する白金のみが触媒として有効に作用するものであり、カーボンブラック粒子上の多くの白金粒子が触媒として作用できずムダとなっていた。
【０００５】
有効に作用する白金粒子を増やすには、三相界面に白金粒子を配置すればよいが、白金粒子を三相界面に選択的に配置することは難しく、カーボンブラック粒子上に白金粒子を多く担持することで三相界面に存在する白金粒子を増加させても、三相界面以外に存在する白金粒子も多くなり有効に作用することができないムダな白金粒子をさらに増やしてしまうこととなり、コストアップとなってしまうものであった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方に燃料電極、他方に空気電極を設けてなる固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電極側の導電性基材の表面に、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物と電極触媒とを担持したことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の電極組成物は、導電性基材の表面に、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物と電極触媒とを担持したことを特徴とする。
【０００８】
そして、本発明によれば、三相界面にない電極触媒で生成したプロトンが、導電性基材の表面の酸化タングステン水和物等の高いプロトン伝導性を示す金属酸化物水和物を介して電解質まで容易に移動できるようにして、三相界面にない多くの電極触媒を有効に作用させることができ、単位触媒量当たりのプロトン移動量を大幅に向上できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方に燃料電極、他方に空気電極を設けてなるもので、燃料電極に流通する水素ガスからプロトンと電子が生成される。プロトンは固体高分子電解質膜を透過して空気電極に達し、また電子は外部回路を流れて空気電極に達し、空気電極では、プロトンと電子と酸素とが反応して水が生成されるようにして、発電を行うものである。
【００１０】
燃料電極は、図１に示すように、固体高分子電解質膜１の一面側に、白金やルテニウム等の電極触媒粒子２を導電性基材３であるカーボンブラック粒子の表面に担持させた電極組成物４と、この電極組成物４と接触するようにプロトンを透過するイオン交換樹脂粒子５とが混合された電極触媒層６が形成され、外部回路と電気的に接続されたカーボンペーパーによりなるガス拡散層７を介してガス流路８と仕切られている。なお、空気電極側においても同等の構成であるため説明を省略する。
【００１１】
そして、電極組成物４について詳述すると、図２に示すように、導電性基材３であるカーボンブラック粒子の表面に、酸化タングステン水和物、酸化モリブデン水和物、酸化スズ水和物等の高いプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物９を被膜を形成するように担持させ、さらにこの金属酸化物水和物９に電極触媒粒子３を複数個担持させて構成されているものである。
【００１２】
導電性基材３に金属酸化物水和物９および電極触媒粒子３を担持させる方法として、酸化タングステン水和物を例にとると、酸化タングステンを過酸化水素水に溶解し、この溶液にカーボンブラック粒子を含浸後乾燥して表面に酸化タングステン水和物被膜を形成し、酸化タングステン水和物被膜上に電極触媒である白金粒子を担持するようにした。このように、電極触媒粒子３に酸化タングステン水和物９の被膜が形成されないように導電性基材３に担持させているので、電極触媒粒子３の触媒作用を有効に発揮させることが可能となる。
【００１３】
そして、ガス流路８からガス拡散層７の細孔を介して導入された水素ガスは、電極触媒層６に流入し、電極組成物４上の電極触媒粒子２に接触した水素Ｈ２がプロトンＨ＋と電子ｅ−に分解される。電子ｅ−は導電性基材３を伝わってガス拡散層７に至り、外部回路を介して流れて空気電極へ達することとなる。このとき、導電性基材３の表面に形成された金属酸化物水和物９の層は非常に薄く、電子ｅ−の移動を妨げるほどの抵抗はないものである。
【００１４】
一方、三相界面に接している電極触媒粒子２で分解されたプロトンＨ＋はイオン交換樹脂粒子５を伝わってあるいは固体高分子電解質膜１に直接通過して空気電極側に至るものである。そして、三相界面にない電極触媒粒子２で分解されたプロトンＨ＋は、高いプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物９を介してイオン交換樹脂粒子５あるいは固体高分子電解質膜１へ移動するものである。
【００１５】
そして、三相界面にない電極触媒粒子２で分解されたプロトンＨ＋が金属酸化物水和物９を介してイオン交換樹脂粒子５へ移動され、電極触媒粒子２付近にプロトンＨ＋が停滞しないため、電極触媒粒子２が周囲の水素Ｈ２を次々とプロトンＨ＋に分解することが可能となるものである。
【００１６】
このように、三相界面にない電極触媒２で生成したプロトンＨ＋が、導電性基材３の表面の酸化タングステン水和物等の高いプロトン伝導性を示す金属酸化物水和物９を介して電解質であるイオン交換樹脂粒子５あるいは固体高分子電解質膜１まで容易に移動できるようにして、三相界面にない多くの電極触媒２を有効に作用させることができ、単位触媒量当たりのプロトン移動量を大幅に向上できる。そのため、電極触媒の使用量を減らしてコストダウンすることが可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、三相界面にない電極触媒で生成したプロトンが、導電性基材の表面の酸化タングステン水和物等の高いプロトン伝導性を示す金属酸化物水和物を介して電解質まで容易に移動できるようにして、三相界面にない多くの電極触媒を有効に作用させることができ、単位触媒量当たりのプロトン移動量を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の燃料電極の模式図。
【図２】同電極組成物の模式図。
【符号の説明】
１ 固体高分子電解質膜
２ 電極触媒粒子
３ 導電性基材
４ 電極組成物
５ イオン交換樹脂粒子
６ 電極触媒層
７ ガス拡散層
８ ガス流路
９ 金属酸化物水和物
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池およびその電極組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のものにおいては、固体高分子電解質膜の一方に燃料電極、他方に空気電極を設けてなる固体高分子電解質型燃料電池において、白金触媒粒子を導電性基材であるカーボンブラック粒子の表面に担持させた電極組成物と、この電極組成物と接触するようにイオン交換樹脂粒子とが混合された電極触媒層が開示されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３４１２０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来のものでは、イオン交換樹脂およびカーボンブラックとが反応ガスに同時に接触する三相界面に存在する白金のみが触媒として有効に作用するものであり、カーボンブラック粒子上の多くの白金粒子が触媒として作用できずムダとなっていた。
【０００５】
有効に作用する白金粒子を増やすには、三相界面に白金粒子を配置すればよいが、白金粒子を三相界面に選択的に配置することは難しく、カーボンブラック粒子上に白金粒子を多く担持することで三相界面に存在する白金粒子を増加させても、三相界面以外に存在する白金粒子も多くなり有効に作用することができないムダな白金粒子をさらに増やしてしまうこととなり、コストアップとなってしまうものであった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方に燃料電極、他方に空気電極を設けてなる固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電極側の導電性基材の表面に、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物と電極触媒とを担持したことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の電極組成物は、導電性基材の表面に、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物と電極触媒とを担持したことを特徴とする。
【０００８】
そして、本発明によれば、三相界面にない電極触媒で生成したプロトンが、導電性基材の表面の酸化タングステン水和物等の高いプロトン伝導性を示す金属酸化物水和物を介して電解質まで容易に移動できるようにして、三相界面にない多くの電極触媒を有効に作用させることができ、単位触媒量当たりのプロトン移動量を大幅に向上できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方に燃料電極、他方に空気電極を設けてなるもので、燃料電極に流通する水素ガスからプロトンと電子が生成される。プロトンは固体高分子電解質膜を透過して空気電極に達し、また電子は外部回路を流れて空気電極に達し、空気電極では、プロトンと電子と酸素とが反応して水が生成されるようにして、発電を行うものである。
【００１０】
燃料電極は、図１に示すように、固体高分子電解質膜１の一面側に、白金やルテニウム等の電極触媒粒子２を導電性基材３であるカーボンブラック粒子の表面に担持させた電極組成物４と、この電極組成物４と接触するようにプロトンを透過するイオン交換樹脂粒子５とが混合された電極触媒層６が形成され、外部回路と電気的に接続されたカーボンペーパーによりなるガス拡散層７を介してガス流路８と仕切られている。なお、空気電極側においても同等の構成であるため説明を省略する。
【００１１】
そして、電極組成物４について詳述すると、図２に示すように、導電性基材３であるカーボンブラック粒子の表面に、酸化タングステン水和物、酸化モリブデン水和物、酸化スズ水和物等の高いプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物９を被膜を形成するように担持させ、さらにこの金属酸化物水和物９に電極触媒粒子３を複数個担持させて構成されているものである。
【００１２】
導電性基材３に金属酸化物水和物９および電極触媒粒子３を担持させる方法として、酸化タングステン水和物を例にとると、酸化タングステンを過酸化水素水に溶解し、この溶液にカーボンブラック粒子を含浸後乾燥して表面に酸化タングステン水和物被膜を形成し、酸化タングステン水和物被膜上に電極触媒である白金粒子を担持するようにした。このように、電極触媒粒子３に酸化タングステン水和物９の被膜が形成されないように導電性基材３に担持させているので、電極触媒粒子３の触媒作用を有効に発揮させることが可能となる。
【００１３】
そして、ガス流路８からガス拡散層７の細孔を介して導入された水素ガスは、電極触媒層６に流入し、電極組成物４上の電極触媒粒子２に接触した水素Ｈ２がプロトンＨ＋と電子ｅ−に分解される。電子ｅ−は導電性基材３を伝わってガス拡散層７に至り、外部回路を介して流れて空気電極へ達することとなる。このとき、導電性基材３の表面に形成された金属酸化物水和物９の層は非常に薄く、電子ｅ−の移動を妨げるほどの抵抗はないものである。
【００１４】
一方、三相界面に接している電極触媒粒子２で分解されたプロトンＨ＋はイオン交換樹脂粒子５を伝わってあるいは固体高分子電解質膜１に直接通過して空気電極側に至るものである。そして、三相界面にない電極触媒粒子２で分解されたプロトンＨ＋は、高いプロトン伝導性を有する金属酸化物水和物９を介してイオン交換樹脂粒子５あるいは固体高分子電解質膜１へ移動するものである。
【００１５】
そして、三相界面にない電極触媒粒子２で分解されたプロトンＨ＋が金属酸化物水和物９を介してイオン交換樹脂粒子５へ移動され、電極触媒粒子２付近にプロトンＨ＋が停滞しないため、電極触媒粒子２が周囲の水素Ｈ２を次々とプロトンＨ＋に分解することが可能となるものである。
【００１６】
このように、三相界面にない電極触媒２で生成したプロトンＨ＋が、導電性基材３の表面の酸化タングステン水和物等の高いプロトン伝導性を示す金属酸化物水和物９を介して電解質であるイオン交換樹脂粒子５あるいは固体高分子電解質膜１まで容易に移動できるようにして、三相界面にない多くの電極触媒２を有効に作用させることができ、単位触媒量当たりのプロトン移動量を大幅に向上できる。そのため、電極触媒の使用量を減らしてコストダウンすることが可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、三相界面にない電極触媒で生成したプロトンが、導電性基材の表面の酸化タングステン水和物等の高いプロトン伝導性を示す金属酸化物水和物を介して電解質まで容易に移動できるようにして、三相界面にない多くの電極触媒を有効に作用させることができ、単位触媒量当たりのプロトン移動量を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の燃料電極の模式図。
【図２】同電極組成物の模式図。
【符号の説明】
１ 固体高分子電解質膜
２ 電極触媒粒子
３ 導電性基材
４ 電極組成物
５ イオン交換樹脂粒子
６ 電極触媒層
７ ガス拡散層
８ ガス流路
９ 金属酸化物水和物
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜の一方に燃料電極、他方に空気電極を設けてなる固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電極側の導電性基材の表面に、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物と電極触媒とを担持したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
- 導電性基材の表面に、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物と電極触媒とを担持したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の電極組成物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003179296A JP2005019060A (ja) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその電極組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003179296A JP2005019060A (ja) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその電極組成物 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005019060A true JP2005019060A (ja) | 2005-01-20 |
Family
ID=34180659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003179296A Pending JP2005019060A (ja) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその電極組成物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005019060A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023063265A1 (ja) * | 2021-10-15 | 2023-04-20 | 株式会社キャタラー | 水素燃料電池アノード用電極触媒 |
-
2003
- 2003-06-24 JP JP2003179296A patent/JP2005019060A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023063265A1 (ja) * | 2021-10-15 | 2023-04-20 | 株式会社キャタラー | 水素燃料電池アノード用電極触媒 |
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