JP2006108059A

JP2006108059A - 触媒電極

Info

Publication number: JP2006108059A
Application number: JP2004314767A
Authority: JP
Inventors: Yurio Nomura; 由利夫野村; Taishin Tani; 谷　　泰臣; Masahiro Ishitani; 雅宏石谷; Fumihiko Suzuki; 文彦鈴木; Nobuko Kariya; 伸子仮屋
Original assignee: HREIN ENERGY KK; Denso Corp
Current assignee: HREIN ENERGY KK; Denso Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】燃料電池のアノード側で燃料透過性に優れる金属多孔体をガス拡散電極と用いるときに、電解質膜と接触する部位の接触抵抗を下げるために金属多孔体の気孔率を下げると、燃料ガス透過性或いは反応後生成物質の排出性が低下するという問題点があった。
【解決手段】燃料拡散性を有する導電性多孔質触媒担体１０の表面上に触媒金属２０が担持された固体電解質形燃料電池用の触媒電極であって、触媒担体１０の表面の全部又は一部が、担持された触媒金属２０表面の一部を除いて、水素イオン伝導性を有する固体電解質薄膜層により被膜されていることを特徴とする触媒電極を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池に用いる触媒電極に関する。

近年、固体高分子形燃料電池など固体電解質膜を用いる燃料電池の出力向上のために、燃料の透過性・拡散性向上を目的として、電極部に金属多孔体を用いる技術が研究されている。しかし、金属多孔体を用いる場合には、気孔率の高い材料を用いると、電解質膜と金属多孔体との間の接触抵抗が大きくなるため、結果として燃料電池の出力向上が困難となる問題がある。

これに対して、先行技術（特許文献１参照）では、燃料の透過性・拡散性を確保しつつ、金属多孔体と電解質膜との間の接触抵抗を下げる構造として、金属多孔体を高気孔率層と低気孔率層を有するものにしている．低気孔率層を電解質膜と接触する表面部に設けることで接触面積を増やして接触抵抗を低下させ，また，その他の部位は高気孔率として燃料透過性の悪化を抑えるようにするものが公知となっている。
特開２００３−２８２０６８号公報

前記、公知技術では、金属多孔体を高分子電解質膜の両面部のアノード側及びカソード側に燃料拡散電極として配置して、電解質膜やセパレータと接触する面での接触抵抗を低減させながら、燃料透過性と電気伝導性に優れる金属多孔体の特性を生かすことができ、結果として燃料電池の出力向上が可能となるものであった。

しかしながら、前記、特許文献１の技術によれば、電解質膜と接触する部位が低気孔率の金属多孔体となるため、接触抵抗は下がるものの、燃料ガス透過性も低下するという問題点があり、また、水素化芳香族類や二級アルコール類等の有機ハイドライド燃料など、水素イオン供給物質に反応後の生成物質があるときには、その円滑な排出が低気孔率のために阻害されることが懸念されていた。

さらに、前記の技術では、触媒金属が固体電解質膜表面に塗布或いは触媒金属を担持したカーボン多孔質体が接合されたものを、アノード側、カソード側がら同発明の金属多孔体で挟むものとされており（特許文献１

参照）、金属多孔体とカーボン多孔体との間での接触抵抗の発生を低減することが困難なものとなっていた。

本願発明者らは、低い気孔率の材質による燃料透過性或いは反応後生成物質の排出性の低下や、異なった金属多孔体の接合による接触抵抗の発生による燃料電池の出力低迷を解決するために、気孔率の高い金属多孔体に触媒金属を担持させるとともに、水素イオン伝導性の固体電解質を用いての接触表面部位と固体電解質膜との接触面でのイオン伝導性を向上して燃料電池の出力を向上する手段を見出した。

すなわち、本願請求項１の発明は、燃料拡散性を有する導電性多孔質触媒担体１０の表面上に触媒金属２０が担持された固体電解質形燃料電池用の触媒電極であって、触媒担体１０の表面の全部又は一部が、担持された触媒金属２０表面の一部を除いて、水素イオン伝導性を有する固体電解質薄膜層により被膜されていることを特徴とする触媒電極を提供する。

また、本願請求項２の発明は、固体電解質薄膜層による触媒担体１０の表面積の被膜割合が、触媒電極層が燃料電池の固体電解質膜から垂直方向に漸次又は段階的に低下していくことを特徴とする請求項１に記載の触媒電極を提供する。

さらに、本願請求項３の発明は、前記触媒担体１０が、活性炭素繊維、アルミナ、チタニア、ジルコニア、シリカ、ゼオライト、メソ多孔質材、ナノカーボン素材、パラジウム多孔材、その他の金属多孔材のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触媒電極を提供する。

本願請求項４の発明は、前記触媒金属２０が、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、または銅から構成される群から選定された少なくとも１つ、またはそれらの化合物を含有するもののいずれかであり、水素イオン供給物質が接触して水素イオンを生成せしめるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の触媒電極を提供する。

本願請求項５の発明は、前記触媒担体１０の燃料電池の固体電解質膜に接触する面の全体には、パラジウム薄膜層が形成され、パラジウム薄膜層が固体電解質膜と着接するようになることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の触媒電極を提供する。

本願請求項１から請求項４の発明によれば、導電性多孔質触媒担体１０の高い燃料透過性を確保しつつも、燃料電池の固体電解質膜との接触面部位での水素イオン供給物質から生成する電子の導電性や水素イオン伝導性を向上することが可能となり、従来技術の制約を克服して有効な効果を発揮するものである。

本願発明では、導電性多孔質触媒担体１０の表面、とりわけ燃料電池の固体電解質膜に接触する側の部位を中心として触媒金属が担持されたものとなっている。本願でいう「表面」は、導電性多孔質触媒担体１０の外観上の面を単に指すものでなく、導電性多孔質触媒担体１０の気孔中の物質表面を全て包含して指すものである。

触媒金属２０は、導電性多孔質触媒担体１０の表面に担持されている。触媒金属２０としては、本願請求項４の発明のように、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、または銅から構成される群から選定された少なくとも１つ、またはそれらの化合物を含有するものを用いる。また、白金及びロジウム、白金及びルテニウムのように２元触媒でもよいし、さらに３種類以上の金属元素を担持させたものでもよい。

導電性多孔質触媒担体１０の表面の全部又は一部は、担持された触媒金属の表面の一部を除いて、固体電解質の薄膜により被膜されるようになっている。図１及び図２は、導電性多孔質触媒担体１０表面での触媒金属と固体電解質薄膜の構成を模式的に示したものである。触媒金属の表面の一部は固体電解質から露出して、水素イオン供給物質（燃料）との接触面が確保されている。

前記導電性多孔質触媒担体１０表面での触媒金属と固体酸化物薄膜の構成によって、水素イオン供給物質と触媒金属と固体電解質との接触界面（いわゆる三相界面）が形成されるため、生成した電子は導電性多孔質触媒担体１０を導電経路として、水素イオンは固体電解質薄膜を伝導経路として速やかに移動させることができる。

導電性多孔質触媒担体１０は、外観として略平板上に形成されており、平板上の一面が燃料電池の固体電解質膜と着接されるようになっている。このため、導電性多孔質触媒担体１０の気孔の表面に形成された固体電解質薄膜層は燃料電池の固体電解質膜と接触し、水素イオンが燃料電池の固体電解質膜を透過していくようになっている。

また、本願請求項５の発明のように、導電性多孔質触媒担体１０は、燃料電池の固体電解質面と接触する面に、パラジウム薄膜層が形成されていてもよい。パラジウム薄膜層は、水素イオンを透過するとともに、導電性多孔質触媒担体１０の表面で生成する水素イオンの移動促進効果（スピルオーバー効果）を得ることができる。また、燃料電池の固体電解質膜を劣化する性質を有する水素イオン供給物質を用いるときは、水素イオン供給物質の固体電解質膜への接触を防止することができる。

本願で用いられる固体電解質は、有機高分子からなるものであってもよいし、無機電解質からなるものであってもよい。金属多孔体の気孔表面上に固体電解質薄膜を形成できるものであれば、実用上利用可能な任意の物質を用いることができる。

導電性多孔質触媒担体１０から電流を取り出す導電経路は、燃料電池の導電性セパレータと導電性多孔質触媒担体１０とが接続されてなるものでよい。そのときに、導電性多孔質触媒担体１０とセパレータの接触部位にカーボン繊維体を挟入してもよいし、導電性多孔質触媒担体１０のセパレータとの接触面に金属膜層が形成されていてもよい。

本願発明は、上記の説明に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本願発明の範囲内に包含されることはいうまでもない。

触媒担体１０と触媒金属２０との構成を模式的に示す図。本願発明の触媒電極の一例を示す断面の模式図。

符号の説明

１０導電性多孔質担体
２０触媒金属

Claims

燃料拡散性を有する導電性多孔質触媒担体（１０）の表面上に触媒金属（２０）が担持された固体電解質形燃料電池用の触媒電極であって、触媒担体（１０）の表面の全部又は一部が、担持された触媒金属（２０）表面の一部を除いて、水素イオン伝導性を有する固体電解質薄膜層により被膜されていることを特徴とする触媒電極。
固体電解質薄膜層による触媒担体（１０）の表面積の被膜割合は、触媒電極層が燃料電池の固体電解質膜から垂直方向に漸次又は段階的に低下していくことを特徴とする請求項１に記載の触媒電極。
前記触媒担体（１０）は、活性炭素繊維、アルミナ、チタニア、ジルコニア、シリカ、ゼオライト、メソ多孔質材、ナノカーボン素材、パラジウム多孔材、その他の金属多孔材のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触媒電極。
前記触媒金属（２０）は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、または銅から構成される群から選定された少なくとも１つ、またはそれらの化合物を含有するもののいずれかであり、水素イオン供給物質が接触して水素イオンを生成せしめるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の触媒電極。
前記触媒担体（１０）の燃料電池の固体電解質膜に接触する面の全体には、パラジウム薄膜層が形成され、パラジウム薄膜層が固体電解質膜と着接するようになることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の触媒電極。