JP2006114382A - Fuel cell equipped with anode electrode and the electrode - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent deterioration of an anode electrode in the case the electric potential of the anode electrode is elevated in a part of single cells constituting a fuel cell. <P>SOLUTION: In the anode electrode of the fuel cell, this is equipped with a catalyst metal that is installed dispersedly in this anode electrode and promotes a battery reaction, and a suppressing mechanism of elevation of an electric potential that suppresses the elevation of the electric potential in the catalyst metal locally at the time of electric potential elevation when the electric potential of the whole anode is elevated. Here, the catalyst metal is equipped in a state mixed with a solid polyelectrolyte having an ion exchange group that shows hydrophilicity and also realizes the proton conductivity. Furthermore, the suppressing mechanism of elevation of the electric potential suppresses the elevation of the electric potential locally in the catalyst metal by making the circumference of the catalyst metal develop a state that shows hydrophobicity locally at the time of the elevation of the electric potential. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、アノード電極および該電極を備える燃料電池に関する。   The present invention relates to an anode electrode and a fuel cell including the electrode.

燃料電池における発電性能を維持するためには、触媒を備える電極に対してガスを滞りなく供給することが重要である。ここで、燃料電池において局所的にガス供給の状態が悪化するときには、このガスの供給状態が悪化した部分において電池反応の進行が不十分になるだけでなく、さらに種々の不都合が生じる可能性がある。例えば、燃料電池スタックを構成する一部の単セルにおいてアノード電極への水素供給が充分に行なわれなくなったときには、この単セル(水素欠乏セル)では、直列に接続される周囲の正常なセルから電圧を印加される状態となる。水素欠乏セルに印加される電圧は、水素欠乏セルのアノード電極において電子を放出する反応を進行させようと働くが、供給される水素が不十分である水素欠乏セルでは通常の電池反応を進行することができないため、水素欠乏セルのアノード電極は電位の高い状態となる。このように高電位となった水素欠乏セルのアノード電極では、望ましくない反応が進行するようになる。   In order to maintain the power generation performance in the fuel cell, it is important to supply the gas without any delay to the electrode including the catalyst. Here, when the gas supply state is locally deteriorated in the fuel cell, not only the progress of the cell reaction is insufficient in the portion where the gas supply state deteriorates, but various inconveniences may occur. is there. For example, when hydrogen supply to the anode electrode is not sufficiently performed in some single cells constituting the fuel cell stack, the single cells (hydrogen-deficient cells) are separated from the surrounding normal cells connected in series. A voltage is applied. The voltage applied to the hydrogen-deficient cell works to advance the reaction of releasing electrons at the anode electrode of the hydrogen-deficient cell, but the normal battery reaction proceeds in the hydrogen-deficient cell where the supplied hydrogen is insufficient. As a result, the anode electrode of the hydrogen-deficient cell is in a high potential state. Thus, an undesirable reaction proceeds at the anode electrode of the hydrogen-deficient cell at a high potential.

水素欠乏セルで進行する望ましくない反応としては、例えば、アノード電極が備える触媒金属である白金(Pt)の溶出が挙げられる。さらに、触媒金属を担持する担体としてカーボンを用いる場合にはカーボンの酸化も進行し、また、水の電気分解も起こり得る。Ptやカーボンはアノード電極の構成成分であるため、Ptの溶出やカーボンの酸化が起こると、燃料電池の電極構造が損傷されると共に触媒金属が減少し、燃料電池の性能低下が引き起こされる可能性がある。カーボンの酸化反応を以下の(1)式に示し、Ptの溶出反応を以下の(2)式に示し、水の電気分解を以下の(3)式に示す。   As an undesirable reaction that proceeds in the hydrogen-deficient cell, for example, elution of platinum (Pt), which is a catalyst metal included in the anode electrode, can be mentioned. Furthermore, when carbon is used as a carrier for supporting the catalytic metal, the oxidation of the carbon proceeds and water electrolysis can also occur. Since Pt and carbon are constituents of the anode electrode, if elution of Pt or oxidation of carbon occurs, the electrode structure of the fuel cell may be damaged and the catalytic metal may be reduced, leading to a decrease in fuel cell performance. There is. The oxidation reaction of carbon is shown in the following formula (1), the elution reaction of Pt is shown in the following formula (2), and the electrolysis of water is shown in the following formula (3).

C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e- …(1)
Pt → Pt2+ + 2e- …(2)
2O → (1/2)O2 +2e- +2H+ …(3)
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e (1)
Pt → Pt 2+ + 2e (2)
H 2 O → (1/2) O 2 + 2e + 2H + (3)

このような不都合を防止するために、例えば、燃料電池のアノード電極において、通常の電池反応を促進する触媒に加えて、さらに水の電気分解を促進する触媒を設ける構成が知られている(特許文献1参照)。水の電気分解を促進する触媒を設けて水の電気分解を積極的に行なわせることにより、水素欠乏時にアノード電極電位の上昇を抑え、Ptの溶出やカーボンの酸化のような他の望ましくない反応の進行を相対的に抑制することができる。   In order to prevent such inconvenience, for example, a configuration is known in which a catalyst for promoting electrolysis of water is further provided in addition to a catalyst for promoting a normal cell reaction in an anode electrode of a fuel cell (patent) Reference 1). By providing a catalyst that promotes electrolysis of water to actively carry out water electrolysis, the increase in the potential of the anode electrode is suppressed during hydrogen depletion, and other undesirable reactions such as Pt elution and carbon oxidation. Can be relatively suppressed.

特表2003−508877号公報Special table 2003-508877 gazette 特開2004−158387号公報JP 2004-158387 A 特開2003−168442号公報JP 2003-168442 A 特開2001−224969号公報JP 2001-224969 A

しかしながら、上記のようにPtの溶出やカーボンの酸化などの反応が進行する程度を相対的に抑えたとしても、これらの望ましくない反応が水の電気分解と同時に進行することには変わりがない。そのため、燃料電池の電極構造の劣化を、より効果的に抑える技術が望まれていた。   However, even if the degree of progress of reactions such as Pt elution and carbon oxidation is relatively suppressed as described above, these undesired reactions continue to proceed simultaneously with the electrolysis of water. Therefore, a technique for effectively suppressing deterioration of the electrode structure of the fuel cell has been desired.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を構成する一部の単セルにおいてアノード電極の電位が上昇するときに、アノード電極の劣化を防止することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and prevents deterioration of the anode electrode when the potential of the anode electrode rises in some single cells constituting the fuel cell. Objective.

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池のアノード電極であって、
該アノード電極中に分散して設けられ、電池反応を促進する触媒金属と、
前記アノード電極全体の電位が上昇する電位上昇時に、前記触媒金属における電位上昇を局所的に抑える電位上昇抑制機構と
を備えることを要旨とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides an anode electrode of a fuel cell,
A catalyst metal that is dispersed in the anode electrode and promotes a battery reaction;
The present invention includes a potential increase suppression mechanism that locally suppresses a potential increase in the catalytic metal when the potential of the entire anode electrode increases.

以上のように構成された本発明のアノード電極によれば、上記電位上昇時に、触媒金属では局所的に電位上昇が抑えられるため、触媒金属が電子を放出することに起因するアノード電極の劣化を抑えることができる。したがって、燃料電池の耐久性を向上させることができ、燃料電池の性能低下を防止することができる。ここで、アノード電極全体の電位の上昇は、例えば、燃料電池に供給される水素量が減少することによって引き起こされる。   According to the anode electrode of the present invention configured as described above, since the potential increase is locally suppressed in the catalyst metal when the potential is increased, the deterioration of the anode electrode caused by the emission of electrons by the catalyst metal is prevented. Can be suppressed. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved, and the performance deterioration of the fuel cell can be prevented. Here, the increase in the potential of the entire anode electrode is caused by, for example, a decrease in the amount of hydrogen supplied to the fuel cell.

本発明のアノード電極において、さらに、
親水性を示すと共にプロトン伝導性を実現するイオン交換基を有する固体高分子電解質を、前記触媒金属と混合された状態で備え、
前記電位上昇抑制機構は、前記電位上昇時には前記触媒金属の周囲が局所的に疎水性を示す状態とすることにより、前記触媒金属において局所的に電位上昇を抑えることとしても良い。
In the anode electrode of the present invention,
A solid polymer electrolyte having an ion exchange group that exhibits hydrophilicity and proton conductivity is provided in a state of being mixed with the catalyst metal,
The potential increase suppression mechanism may be configured to suppress the potential increase locally in the catalyst metal by setting the periphery of the catalyst metal to be in a state of hydrophobicity when the potential is increased.

このような構成とすれば、上記電位上昇時には、触媒金属の周囲が局所的に疎水性を示す状態とすることで、親水性を示す電解質のイオン交換基が触媒金属に近づくのを抑制することができる。したがって、触媒金属と電解質との間の電位差を局所的により小さくして、触媒金属における電位上昇を局所的に抑えることができる。   With such a configuration, when the potential rises, the periphery of the catalytic metal is locally hydrophobic, thereby suppressing the ion exchange group of the electrolyte that exhibits hydrophilicity from approaching the catalytic metal. Can do. Therefore, the potential difference between the catalyst metal and the electrolyte can be made smaller locally, and the potential increase in the catalyst metal can be locally suppressed.

このような本発明のアノード電極において、さらに、
前記触媒金属の近傍に設けられた金(Au)を備え、
前記電解質はさらに、疎水性の原子団と、該原子団の近傍に設けられたチオール基(−SH)と、を備え、
前記電位上昇抑制機構は、前記Auと前記チオール基とによって構成されることとしても良い。
In such an anode electrode of the present invention,
Comprising gold (Au) provided in the vicinity of the catalyst metal;
The electrolyte further includes a hydrophobic atomic group, and a thiol group (-SH) provided in the vicinity of the atomic group,
The potential increase suppression mechanism may be configured by the Au and the thiol group.

このような構成とすれば、上記電位上昇時には、疎水性原子団の近傍に設けられたチオール基がAuに吸着することにより、Auの近傍にある触媒金属の周囲を、局所的に疎水性を示す状態にすることができる。   With such a configuration, when the potential is increased, the thiol group provided in the vicinity of the hydrophobic atomic group is adsorbed to Au, so that the periphery of the catalytic metal in the vicinity of Au is locally made hydrophobic. It can be in the state shown.

電解質が、イオン交換基に加えて、疎水性の原子団と、この原子団の近傍に設けられたチオール基を有する具体的な構成としては、例えば、イオン交換基を有する第1の側鎖と、疎水性の原子団およびチオール基を有する第2の側鎖と、を備えることとすればよい。このような場合には、異なる側鎖に備えられたイオン交換基とチオール基とは、電解質中を比較的自由に動くことが可能となる。したがって、電位上昇時には、イオン交換基と触媒金属との間を、効果的に離すことができる。  The specific structure in which the electrolyte has a hydrophobic atomic group in addition to the ion-exchange group and a thiol group provided in the vicinity of the atomic group includes, for example, a first side chain having an ion-exchange group And a second side chain having a hydrophobic atomic group and a thiol group. In such a case, ion exchange groups and thiol groups provided in different side chains can move relatively freely in the electrolyte. Therefore, when the potential is increased, the ion exchange group and the catalyst metal can be effectively separated.

また、本発明のアノード電極は、さらに、
前記触媒金属の近傍に設けられた金(Au)と、
チオール基(−SH)および疎水性の原子団を有する疎水性化合物と、
を備え、
前記電位上昇抑制機構は、前記Auと前記チオール基とによって構成されることとしてもよい。
The anode electrode of the present invention further includes
Gold (Au) provided in the vicinity of the catalyst metal;
A hydrophobic compound having a thiol group (-SH) and a hydrophobic atomic group;
With
The potential increase suppression mechanism may be configured by the Au and the thiol group.

このような場合にも、上記電位上昇時には、疎水性原子団の近傍に設けられたチオール基がAuに吸着することにより、Auの近傍にある触媒金属の周囲を、局所的に疎水性を示す状態にすることができる。   Even in such a case, when the potential rises, the thiol group provided in the vicinity of the hydrophobic atomic group is adsorbed to Au, so that the periphery of the catalytic metal in the vicinity of Au is locally hydrophobic. Can be in a state.

本発明のアノード電極において、さらに、
電子伝導性を有する物質からなる微粒子である第1の担体粒子を備え、
前記触媒金属およびAuは、共に、前記第1の担体粒子上に分散担持されていることとしても良い。
In the anode electrode of the present invention,
Comprising first carrier particles which are fine particles made of a substance having electron conductivity;
Both the catalyst metal and Au may be dispersedly supported on the first carrier particles.

このように、同一の第1の担体上に触媒金属およびAuを担持させることにより、電位が上昇してチオール基がAuに吸着するときには、触媒金属の周囲を効果的に疎水性状態にすることができる。   Thus, by supporting the catalyst metal and Au on the same first support, when the potential is increased and the thiol group is adsorbed to Au, the periphery of the catalyst metal is effectively made hydrophobic. Can do.

また、本発明のアノード電極は、さらに、
水の分解反応を促進する水分解触媒を備えることとしても良い。
The anode electrode of the present invention further includes
It is good also as providing the water decomposition catalyst which accelerates | stimulates the decomposition reaction of water.

水分解触媒を備えることにより、上記電位上昇時には、水分解触媒によって水の分解反応を促進し、アノードにおいて電子およびプロトンを生成することができる。そのため、単セルを複数積層した燃料電池において、一部の単セルにおいて電位が上昇した状態が継続する場合であっても、燃料電池全体としては支障なく発電を継続することが可能となる。ここで、水分解触媒は、RuO2とすることができる。 By providing the water splitting catalyst, when the potential rises, the water splitting catalyst can promote the water splitting reaction and generate electrons and protons at the anode. For this reason, in a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked, even if a state in which the potential increases in some unit cells continues, it is possible to continue power generation as a whole as a fuel cell. Here, the water decomposition catalyst may be a RuO 2.

このような本発明のアノード電極において、さらに、
電子伝導性を有する物質からなる微粒子である第2の担体粒子を備え、
前記第2の担体粒子は、前記触媒金属を担持することなく、前記水分解触媒を担持していることとしても良い。
In such an anode electrode of the present invention,
Second carrier particles, which are fine particles made of a substance having electron conductivity,
The second carrier particles may support the water decomposition catalyst without supporting the catalyst metal.

このように、水分解触媒を、触媒金属とは異なる担体粒子上に担持させることで、上記電位上昇時に触媒金属において局所的に電位上昇が抑えられる場合にも、水分解触媒は、その影響を受けることなく水の分解反応を進行させることが可能となる。   As described above, even when the potential increase is locally suppressed in the catalyst metal when the potential is increased by supporting the water decomposition catalyst on the carrier particles different from the catalyst metal, the water decomposition catalyst has the effect. It is possible to proceed the decomposition reaction of water without receiving it.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、アノード電極を備える燃料電池や、アノード電極の製造方法などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a fuel cell including an anode electrode, a method for manufacturing an anode electrode, and the like.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.燃料電池の構成:
B.アノード電極の製造工程:
C.アノード電極における動作:
D.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Anode electrode manufacturing process:
C. Operation at the anode electrode:
D. Variations:

A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の実施例としての燃料電池の構成の概略を現わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図1は、燃料電池の基本単位である単セル10を表わしている。図1に示すように、単セル10は、電解質膜20、アノード電極21、カソード電極22、ガス拡散層23,24、セパレータ25,26によって構成されている。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. The fuel cell of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 1 shows a single cell 10 that is a basic unit of the fuel cell. As shown in FIG. 1, the single cell 10 includes an electrolyte membrane 20, an anode electrode 21, a cathode electrode 22, gas diffusion layers 23 and 24, and separators 25 and 26.

電解質膜20は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な導電性を示す。本実施例では、ナフィオン膜(デュポン社製)を使用した。   The electrolyte membrane 20 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good conductivity in a wet state. In this example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) was used.

アノード電極21およびカソード電極22は、電解質膜20上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備えている。本実施例では、触媒金属として白金(Pt)を用いている。また、電解質としては、電解質膜20と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂を用いている。さらに、上記電極のうち、アノード電極21は、触媒金属であるPtに加えて、金(Au)と、水分解触媒としての酸化ルテニウム(RuO2)とを備えている。図2は、アノード電極21の様子を拡大して表わす模式図である。図2に示すように、アノード電極21では、PtとAuとは同じカーボン粒子上に担持されており、RuO2は、上記AuおよびPtが担持されるカーボン粒子とは異なるカーボン粒子上に担持されている。これら触媒金属などを担持したカーボン粒子は、電解質と混在している。また、アノード電極21が備える電解質は、プロトン伝導に関わるスルホン酸基に加えて、さらにチオール基(−SH)が導入されている。アノード電極21の構成は、本発明の要部に対応するため、アノード電極21の製造方法および動作については後に詳しく説明する。なお、カソード電極22は、Auおよび水分解触媒を有さず、触媒金属のみを担持したカーボン粒子と、チオール基が導入されていない電解質とが混合されている。 The anode electrode 21 and the cathode electrode 22 are layers formed on the electrolyte membrane 20, and include a catalytic metal that progresses an electrochemical reaction, an electrolyte having proton conductivity, and carbon particles having electron conductivity. ing. In this embodiment, platinum (Pt) is used as the catalyst metal. Further, as the electrolyte, a fluorine-based resin that conducts hydrated protons via a sulfonic acid group is used as the electrolyte membrane 20. Further, among the electrodes, the anode electrode 21 includes gold (Au) and ruthenium oxide (RuO 2 ) as a water splitting catalyst in addition to Pt which is a catalyst metal. FIG. 2 is an enlarged schematic view showing the state of the anode electrode 21. As shown in FIG. 2, in the anode electrode 21, Pt and Au are supported on the same carbon particles, and RuO 2 is supported on carbon particles different from the carbon particles on which Au and Pt are supported. ing. The carbon particles carrying the catalyst metal and the like are mixed with the electrolyte. Moreover, in addition to the sulfonic acid group in connection with proton conduction, the electrolyte with which the anode electrode 21 is provided further introduce | transduced the thiol group (-SH). Since the configuration of the anode electrode 21 corresponds to the main part of the present invention, the manufacturing method and operation of the anode electrode 21 will be described in detail later. The cathode electrode 22 does not have Au and a water decomposition catalyst, and is mixed with carbon particles supporting only the catalyst metal and an electrolyte in which no thiol group is introduced.

ガス拡散層23,24は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。このようなガス拡散層23,24は、電気化学反応に供されるガスを拡散させると共に、触媒を備える電極との間で集電を行なう。   The gas diffusion layers 23 and 24 are made of a member having gas permeability and electronic conductivity, and are formed of, for example, a metal member such as foam metal or metal mesh, or a carbon member such as carbon cloth or carbon paper. can do. Such gas diffusion layers 23 and 24 diffuse a gas to be subjected to an electrochemical reaction and collect current with an electrode including a catalyst.

セパレータ25,26は、ガス不透過の導電性部材によって形成されている。セパレータ25,26は、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成することができる。また、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成しても良い。   The separators 25 and 26 are formed of a gas impermeable conductive member. Separator 25, 26 can be formed with carbon members, such as dense carbon which made gas impermeable by compressing carbon, for example. Moreover, you may form by metal members, such as press-molded stainless steel.

セパレータ25,26は、その表面に、単セル内のガス流路を形成するための凹凸形状を有している。セパレータ25は、ガス拡散層23との間に、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路27を形成する。また、セパレータ26は、ガス拡散層24との間に、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路28を形成する。   The separators 25 and 26 have a concavo-convex shape for forming a gas flow path in the single cell on the surface thereof. The separator 25 forms a single-cell fuel gas flow path 27 through which the fuel gas containing hydrogen passes between the separator 25 and the gas diffusion layer 23. Further, the separator 26 forms an in-single cell oxidizing gas passage 28 through which an oxidizing gas containing oxygen passes, between the separator 26 and the gas diffusion layer 24.

なお、単セル10の外周部には、単セル内燃料ガス流路27および単セル内酸化ガス流路28におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配設されている。また、単セル10の外周部には、単セル10の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている(図示せず)。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル10に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路27内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル10に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路28内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。   A sealing member such as a gasket is provided on the outer periphery of the single cell 10 in order to ensure gas sealing performance in the single-cell fuel gas flow channel 27 and the single-cell oxidizing gas flow channel 28. A plurality of gas manifolds (not shown) through which fuel gas or oxidizing gas flows are provided on the outer periphery of the single cell 10 in parallel with the stacking direction of the single cells 10. The fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold among the plurality of gas manifolds is distributed to each single cell 10 and passes through each single cell fuel gas flow path 27 while being subjected to an electrochemical reaction. Collect in the gas exhaust manifold. Similarly, the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply manifold is distributed to each single cell 10, passes through the oxidant gas flow path 28 in each single cell while being subjected to an electrochemical reaction, and then collects in the oxidant gas discharge manifold. To do.

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。   As the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high-purity hydrogen gas may be used. For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell.

なお、図1では、単独の単セル10のみを示しているが、実際の燃料電池は、この単セル10を複数積層したスタック構造を有している。例えば、各セパレータは、表裏両面に、
単セル内ガス流路を形成するための凹凸形状を有することとすればよい。この場合には、セパレータの一方の面では、セパレータ25として所定の単セルにおいてガス拡散層23との間で単セル内燃料ガス流路27を形成し、他方の面では、セパレータ26として隣接する単セルにおいてガス拡散層24との間で単セル内酸化ガス流路28を形成する。あるいは、スタック構造において、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、例えば、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ25と、他方の単セルが備えるセパレータ26との間に設けることができる。
In FIG. 1, only a single unit cell 10 is shown, but an actual fuel cell has a stack structure in which a plurality of unit cells 10 are stacked. For example, each separator on both sides
What is necessary is just to have the uneven | corrugated shape for forming the gas flow path in a single cell. In this case, the single-cell fuel gas flow path 27 is formed between the gas diffusion layer 23 in the predetermined single cell as the separator 25 on one side of the separator, and is adjacent as the separator 26 on the other side. A single-cell oxidizing gas flow path 28 is formed between the gas diffusion layer 24 and the single cell. Or in a stack structure, in order to adjust the internal temperature of a stack structure, you may provide the refrigerant | coolant flow path through which a refrigerant | coolant passes between each single cell or whenever a predetermined number of single cells are laminated | stacked. The refrigerant flow path can be provided between, for example, the separator 25 provided in one single cell and the separator 26 provided in the other single cell between adjacent single cells.

また、図1では、単セル内ガス流路を形成するための凹凸形状をセパレータ25,26に設けているが、単セル内ガス流路の形状は任意に設定することができる。例えば、セパレータ25,26を、凹凸形状を有しない平坦な板状部材としても良い。この場合には、多孔質なガス拡散層内部に形成される空間が、単セル内ガス流路として機能する。   Moreover, in FIG. 1, although the uneven | corrugated shape for forming the gas flow path in a single cell is provided in the separators 25 and 26, the shape of the gas flow path in a single cell can be set arbitrarily. For example, the separators 25 and 26 may be flat plate-like members having no uneven shape. In this case, the space formed inside the porous gas diffusion layer functions as a gas flow path in the single cell.

B.アノード電極の製造工程:
図3は、アノード電極21の製造工程を表わす説明図である。アノード電極21を作製する際には、まず、カーボン粒子(カーボン粉末)を用意する(ステップS100)。このステップS100で用意するカーボン粒子は、既述したように、PtおよびAuを担持させるためのカーボン粒子と、RuO2を担持させるためのカーボン粒子である。本実施例では、PtおよびAuを担持させるためにはカーボンブラックを用い、RuO2を担持させるためにはグラファイトを用いている。カーボン粒子を構成するカーボン材料としては、種々のカーボン材料を選択可能であるが、PtおよびAuを担持させるためのカーボン粒子は、触媒活性が促進する反応の効率を高めるために、より表面積が高いものを選択することが望ましい。また、RuO2を担持させるためのカーボン粒子は、より耐食性が高いカーボン材料から成るカーボン粒子を選択することが望ましい。グラファイトは、結晶性が高く、特に耐食性に優れている。
B. Anode electrode manufacturing process:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the anode electrode 21. When producing the anode electrode 21, first, carbon particles (carbon powder) are prepared (step S100). The carbon particles prepared in step S100 are carbon particles for supporting Pt and Au and carbon particles for supporting RuO 2 as described above. In this embodiment, carbon black is used for supporting Pt and Au, and graphite is used for supporting RuO 2 . Various carbon materials can be selected as the carbon material constituting the carbon particles, but the carbon particles for supporting Pt and Au have a higher surface area in order to increase the efficiency of the reaction promoted by the catalytic activity. It is desirable to choose one. Further, it is desirable to select carbon particles made of a carbon material having higher corrosion resistance as the carbon particles for supporting RuO 2 . Graphite has high crystallinity and is particularly excellent in corrosion resistance.

次に、ステップS100で用意したカーボン粒子の一部(ここではカーボンブラック)上に、PtとAuとを分散担持させる(ステップS110)。PtおよびAuを担持させるには、上記カーボン粒子を、Pt化合物の溶液およびAu化合物の溶液中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法を行なえばよい。Pt化合物の溶液としては、例えば、白金硝酸塩や塩化白金酸の水溶液を用いることができる。また、Au化合物の溶液としては、例えば、塩化金酸の水溶液を用いることができる。含浸法による場合には、カーボン粒子を上記溶液中に分散させた後に、溶媒を蒸発させて乾燥し、還元処理(還元雰囲気下での焼成)を行なえばよい。PtとAuとの担持順序は、どちらが先でも良く、また、同時にカーボン粒子上に担持させても良い。   Next, Pt and Au are dispersed and supported on a part of the carbon particles (here, carbon black) prepared in step S100 (step S110). In order to carry Pt and Au, the carbon particles may be dispersed in a solution of a Pt compound and a solution of an Au compound, and an impregnation method, a coprecipitation method, or an ion exchange method may be performed. As the solution of the Pt compound, for example, an aqueous solution of platinum nitrate or chloroplatinic acid can be used. As the Au compound solution, for example, an aqueous solution of chloroauric acid can be used. In the case of the impregnation method, after the carbon particles are dispersed in the above solution, the solvent is evaporated and dried, and reduction treatment (firing in a reducing atmosphere) is performed. Either Pt and Au may be supported first, or may be supported on the carbon particles at the same time.

カーボン粒子上に担持させるPt量およびAu量は、含浸法に用いる上記化合物の溶液中に含まれるPt量あるいはAu量として調節することができる。Ptの担持量は、例えば、カーボン粒子に対する割合が、20〜60wt%となる量とすることができ、Auの担持量は、例えば、カーボン粒子に対する割合が、10〜40wt%となる量とすることができる。   The amount of Pt and Au supported on the carbon particles can be adjusted as the amount of Pt or Au contained in the solution of the compound used in the impregnation method. The amount of Pt supported can be, for example, an amount such that the ratio to the carbon particles is 20 to 60 wt%, and the amount of Au supported is, for example, an amount such that the ratio to the carbon particles is 10 to 40 wt%. be able to.

次に、ステップS110で用いたのとは異なるカーボン粒子(ここではグラファイト)上に、RuO2を分散担持させる(ステップS120)。カーボン粒子上にRuO2を担持させる場合も、PtやAuを担持させる場合と同様に、カーボン粒子を、Ru化合物の溶液中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法などを行なえばよい。なお、カーボン粒子上にRuを担持させた後には、特別な酸化の工程を行なう必要はない。Ruを担持させたカーボン粒子を用いて以下に説明するようにアノード電極21を作製して燃料電池に組み込めば、燃料電池が発電を行なうのに伴って、Ruの酸化が進行する。RuO2の担持量は、例えば、Ruの担持量に換算して、カーボン粒子に対する割合が20〜60wt%となる量とすることができる。 Next, RuO 2 is dispersed and supported on carbon particles (here, graphite) different from those used in step S110 (step S120). When RuO 2 is supported on carbon particles, carbon particles are dispersed in a Ru compound solution in the same manner as when Pt and Au are supported, and impregnation, coprecipitation, ion exchange, and the like are performed. Just do it. It is not necessary to perform a special oxidation step after Ru is supported on the carbon particles. If the anode electrode 21 is produced and incorporated in the fuel cell as described below using the carbon particles carrying Ru, the oxidation of Ru proceeds as the fuel cell generates power. The amount of RuO 2 supported can be, for example, an amount such that the ratio to the carbon particles is 20 to 60 wt% in terms of the amount of Ru supported.

また、上記した担持の工程とは別に、チオール基を導入した電解質を作製する(S130)。本実施例では、電解質として、パーフルオロスルホン酸系の電解質を用いている。実施例の電解質を合成するための工程の概要を図4に示す。電解質合成の工程は、大まかに分けると、イオン交換ポリマ合成の工程と、イオン交換ポリマのイオン交換基をスルホニル基に置換する工程と、さらにこのスルホニル基を備える部位にチオール基を導入する工程と、に分けることができる。   Separately from the above-described supporting step, an electrolyte into which a thiol group is introduced is prepared (S130). In this embodiment, a perfluorosulfonic acid electrolyte is used as the electrolyte. The outline of the process for synthesizing the electrolyte of the example is shown in FIG. The process of electrolyte synthesis can be roughly divided into a process of synthesizing an ion exchange polymer, a process of substituting an ion exchange group of the ion exchange polymer with a sulfonyl group, and a process of introducing a thiol group into a site having the sulfonyl group. , Can be divided into

パーフルオロスルホン酸系電解質は、テトラフルオロエチレンと、所定のスルホン酸膜用モノマとを共重合させることによって合成される。このようにして得られるイオン交換ポリマは、フッ素樹脂の主鎖と、端部にスルホン酸基を有する疎水性の側鎖と、を備えている。本実施例におけるイオン交換ポリマを、図4(A)に示す。成膜された上記イオン交換ポリマは、このまま通常の固体高分子電解質として機能する。なお、繰り返し構造を有するパーフルオロ高分子主鎖における構成単位の長さや、側鎖の長さ(構成単位の繰り返しの数)などが異なる種々の固体高分子が知られている。   The perfluorosulfonic acid electrolyte is synthesized by copolymerizing tetrafluoroethylene and a predetermined sulfonic acid film monomer. The ion exchange polymer thus obtained includes a main chain of a fluororesin and a hydrophobic side chain having a sulfonic acid group at the end. The ion exchange polymer in this example is shown in FIG. The ion exchange polymer thus formed functions as a normal solid polymer electrolyte as it is. Various solid polymers are known in which the length of the structural unit in the perfluoropolymer main chain having a repeating structure, the length of the side chain (number of repeating structural units), and the like are different.

本実施例で用いる電解質を作製するには、上記イオン交換ポリマが備える側鎖端部のスルホン酸基の一部を、スルホニル基に置換する反応を行なう。スルホン酸基の一部をスルホニル基に置換したスルホニル基含有ポリマを、図4(B)に示す。このスルホニル基含有ポリマは、スルホニル基において、さらに、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)等のハロゲンを備えている。例えば、Fを含む場合には、上記スルホン酸基から置換されたポリマの側鎖末端は、スルホニルフルオライド基(−SO2F)となる。 In order to produce the electrolyte used in this example, a reaction for substituting a part of the sulfonic acid group at the side chain end of the ion exchange polymer with a sulfonyl group is performed. FIG. 4B shows a sulfonyl group-containing polymer in which a part of the sulfonic acid group is substituted with a sulfonyl group. This sulfonyl group-containing polymer is further provided with a halogen such as fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I) in the sulfonyl group. For example, when F is contained, the side chain terminal of the polymer substituted from the sulfonic acid group becomes a sulfonyl fluoride group (—SO 2 F).

その後さらに、上記スルホニル基に置換した側鎖端部にチオール基を導入して、本実施例の電解質を完成する。チオール基を導入する際には、チオール基と、上記スルホニル基が備えるハロゲンと同種のハロゲンと、を含有する化合物を用いて置換反応を行なう。置換反応に用いたチオール基含有化合物の一例を図4(C)に示す。また、上記置換反応によって得られる生成物(本実施例の電解質とハロゲンガス)を図4(D)に示す。   Thereafter, a thiol group is further introduced into the end of the side chain substituted with the sulfonyl group to complete the electrolyte of this example. When a thiol group is introduced, a substitution reaction is performed using a compound containing a thiol group and the same kind of halogen as that of the sulfonyl group. An example of the thiol group-containing compound used for the substitution reaction is shown in FIG. In addition, a product (electrolyte and halogen gas of this example) obtained by the above substitution reaction is shown in FIG.

本実施例の電解質においては、イオン交換ポリマの側鎖が備えるスルホン酸基をスルホニル基に置換する際に、スルホニル基に置換されるスルホン酸基の割合を制御することにより、最終的にチオールが導入される側鎖の割合を調節することができる。スルホニル基に置換する割合は、スルホン酸基をスルホニル基に置換するための反応時間などを制御することによって行なうことができる。電解質の側鎖末端におけるスルホン酸基とチオール基との割合は、例えば、チオール基:スルホン酸基=1:9〜1:1とすることができる。チオール基の割合がスルホン酸基の割合以下であればよいが、電気化学反応の活性を維持するためにはチオール基の割合が小さいことが望ましい。   In the electrolyte of this example, when the sulfonic acid group included in the side chain of the ion-exchange polymer is substituted with a sulfonyl group, the thiol is finally converted by controlling the ratio of the sulfonic acid group substituted with the sulfonyl group. The proportion of side chains introduced can be adjusted. The ratio of substitution with the sulfonyl group can be performed by controlling the reaction time for substituting the sulfonic acid group with the sulfonyl group. The ratio of the sulfonic acid group to the thiol group at the side chain end of the electrolyte can be, for example, thiol group: sulfonic acid group = 1: 9 to 1: 1. Although the ratio of the thiol group may be equal to or less than the ratio of the sulfonic acid group, it is desirable that the ratio of the thiol group is small in order to maintain the activity of the electrochemical reaction.

なお、本実施例のアノード電極で用いる電解質の作製方法は、異なる方法でも良い。例えば、まず最初に、テトラフルオロエチレンと、所定のスルホン酸膜用モノマとを共重合させることによって、側鎖の端部にスルホニルフルオライド基などのスルホニル基を有するポリマを合成することとしても良い。その後、上記スルホニル基の一部を加水分解によってスルホン酸基に置換して、残余のスルホニル基に対してさらにチオール基を導入することとしても良い。   Note that the method for producing the electrolyte used in the anode electrode of this embodiment may be different. For example, first, a polymer having a sulfonyl group such as a sulfonyl fluoride group at the end of the side chain may be synthesized by copolymerizing tetrafluoroethylene and a predetermined monomer for a sulfonic acid film. . Thereafter, a part of the sulfonyl group may be substituted with a sulfonic acid group by hydrolysis, and a thiol group may be further introduced to the remaining sulfonyl group.

ステップS130で電解質を作製した後は、ステップS110でPtおよびAuを担持させたカーボン粒子と、ステップS120でRuO2を担持させたカーボン粒子とを、適当な有機溶剤に分散させると共に、ステップS130で作製した電解質を混合して、電極ペーストを作製する(ステップS140)。そして、上記電極ペーストを電解質膜20上に塗布して(ステップS150)、アノード電極を完成する。電極ペーストの電解質膜20上への塗布は、例えば、電極ペーストを用いた電解質膜20上へのスクリーン印刷により行なうことができる。あるいは、電極ペーストを膜形成してシートを作製し、このシートを電解質膜20上にホットプレスすることとしても良い。 After producing the electrolyte in step S130, the carbon particles supporting Pt and Au in step S110 and the carbon particles supporting RuO 2 in step S120 are dispersed in an appropriate organic solvent, and in step S130. The produced electrolyte is mixed to produce an electrode paste (step S140). And the said electrode paste is apply | coated on the electrolyte membrane 20 (step S150), and an anode electrode is completed. Application of the electrode paste onto the electrolyte membrane 20 can be performed, for example, by screen printing on the electrolyte membrane 20 using the electrode paste. Alternatively, a sheet may be formed by forming an electrode paste into a film, and this sheet may be hot pressed onto the electrolyte membrane 20.

なお、カソード電極22を作製するには、カーボン粒子上にPtのみを担持させ、このPt担持カーボン粒子と、チオール基を導入していない電解質(既述したイオン交換ポリマ)とを用いて電極ペーストを作製し、この電極ペーストを電解質膜20上にアノード電極21の場合と同様に塗布すればよい。   In order to fabricate the cathode electrode 22, an electrode paste using only Pt supported on carbon particles and using the Pt-supported carbon particles and an electrolyte not introduced with a thiol group (the previously described ion exchange polymer) is used. And this electrode paste may be applied onto the electrolyte membrane 20 in the same manner as the anode electrode 21.

C.アノード電極における動作:
燃料電池が発電する際には、アノード電極21では以下の(4)式に示す反応が進行すると共に、カソード電極22では以下の(5)式に示す反応が進行し、燃料電池全体では以下の(6)式に示す反応が進行する。
C. Operation at the anode electrode:
When the fuel cell generates power, the reaction shown in the following formula (4) proceeds at the anode electrode 21 and the reaction shown in the following formula (5) progresses at the cathode electrode 22. The reaction shown in the formula (6) proceeds.

2 → 2H+ + 2e- …(4)
(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …(5)
2 + (1/2)O2 → H2O …(6)
H 2 → 2H + + 2e (4)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (5)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (6)

既述した図2は、燃料電池において上記した反応が進行している通常運転時におけるアノード電極21の様子を表わしている。通常運転時には、単セル内燃料ガス流路27を介して供給される水素を用いて、アノード電極21が備える触媒金属であるPt上で上記(4)式の反応が進行する。(4)式の反応で生じたプロトンは、アノード電極21中の電解質が備えるスルホン酸基を介して、水和した状態で電解質膜20に向かってアノード電極21中を移動する。また、(4)式で生じた電子は、触媒金属やRuO2を担持するカーボン粒子を介して、アノード電極21中をガス拡散層23に向かって移動する。なお、このような通常運転時におけるアノード電極21の電極電位は、略0V(vs.RHE、RHEは可逆水素電極電位)である。 FIG. 2 described above represents the state of the anode electrode 21 during normal operation in which the above-described reaction proceeds in the fuel cell. During normal operation, the reaction of the above formula (4) proceeds on Pt, which is a catalyst metal included in the anode electrode 21, using hydrogen supplied via the fuel gas flow path 27 in the single cell. Protons generated by the reaction of the formula (4) move in the anode electrode 21 toward the electrolyte membrane 20 in a hydrated state via the sulfonic acid group provided in the electrolyte in the anode electrode 21. Further, the electrons generated in the formula (4) move in the anode electrode 21 toward the gas diffusion layer 23 through the catalyst particles and the carbon particles supporting RuO 2 . Note that the electrode potential of the anode electrode 21 during such normal operation is approximately 0 V (vs. RHE and RHE are reversible hydrogen electrode potentials).

以下、水素欠乏状態での単セル10の動作について説明する。図5は、単セル10に供給される水素量が減少して水素欠乏状態となったときのアノード電極21の様子を表わす説明図である。特定の単セル10内では水素欠乏状態となっても、スタック構造を構成する他の単セルが正常に発電しているときには、水素欠乏状態の単セルは、直列に接続される周囲の正常なセルから電圧を印加される。このように周囲の正常セルから印加される電圧は、水素欠乏状態の単セルにおいて電子を放出する反応を進行させようと働くが、水素欠乏セルでは通常の電池反応を進行することができないため、水素欠乏セルのアノード電極21は電位の高い状態となる。このような水素欠乏状態においては、アノード電極21の電極電位は、1.5〜2.0V(vs.RHE)程度となる。   Hereinafter, the operation of the single cell 10 in the hydrogen deficient state will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the state of the anode electrode 21 when the amount of hydrogen supplied to the single cell 10 is reduced to be in a hydrogen deficient state. Even if a single cell 10 is in a hydrogen-deficient state, when other unit cells constituting the stack structure are generating power normally, the single cell in the hydrogen-deficient state is normal in the surroundings connected in series. A voltage is applied from the cell. Thus, the voltage applied from the surrounding normal cells works to advance the reaction of releasing electrons in the hydrogen-deficient single cell, but the normal battery reaction cannot proceed in the hydrogen-deficient cell. The anode electrode 21 of the hydrogen-deficient cell is in a high potential state. In such a hydrogen deficient state, the electrode potential of the anode electrode 21 is about 1.5 to 2.0 V (vs. RHE).

このように電極電位が上昇すると、電解質に導入されたチオール基が、カーボン粒子上に担持させたAuに化学的に吸着する。チオール基がAuに吸着する反応を、以下の(7)式に示す。(7)式の反応に伴って電子が放出され、チオール基がAuに吸着する。また、電解質のチオール基がカーボン粒子上のAuに吸着した様子を図5に示す。この反応は、通常、電極電位が0.2〜1.0V(vs.RHE)程度となるときに進行するものであり、既述した通常運転時には進行しない。   When the electrode potential rises in this way, the thiol group introduced into the electrolyte is chemically adsorbed on Au carried on the carbon particles. A reaction in which a thiol group adsorbs to Au is shown in the following formula (7). With the reaction of the formula (7), electrons are released and the thiol group is adsorbed on Au. FIG. 5 shows a state in which the thiol group of the electrolyte is adsorbed on Au on the carbon particles. This reaction usually proceeds when the electrode potential is about 0.2 to 1.0 V (vs. RHE), and does not proceed during the normal operation described above.

−CF2CFSH + Au → −CF2CFSAu + H+ + e- …(7) -CF 2 CFSH + Au → -CF 2 CFSAu + H + + e - ... (7)

また、電解質のチオール基が、Ptを担持するカーボン粒子上のAuに吸着すると、チオール基は疎水性の側鎖の端部に設けられているため、Ptを担持するカーボン粒子の周囲は局所的に疎水性になる(Ptの周囲が局所的に疎水性になる様子を、図5中、疎水性領域として破線で囲んだ領域をPtの周囲に描くことによって表わしている)。ここで、プロトンの移動に関わるスルホン酸基を端部に備える電解質の側鎖は、湿潤状態の電解質内で比較的自由に動くことができるが、親水性であるスルホン酸基は上記疎水性の領域に近寄ることができないため、スルホン酸基は触媒金属から微視的に離れた状態となる。このように、プロトン伝導に関わるスルホン酸基が触媒金属から離れることにより、触媒金属の周囲では局所的に電位上昇が抑えられる。したがって、水素欠乏状態となっても、既述した(2)式に示したPtの溶出反応が進行したり、触媒金属を担持するカーボン粒子において既述した(1)式に示したカーボンの酸化反応が進行したりすることがない。   In addition, when the thiol group of the electrolyte is adsorbed to Au on the carbon particles supporting Pt, the thiol group is provided at the end of the hydrophobic side chain, so the periphery of the carbon particles supporting Pt is locally (The state in which the periphery of Pt is locally hydrophobic is represented by drawing a region surrounded by a broken line as a hydrophobic region in FIG. 5 around Pt). Here, the side chain of the electrolyte having a sulfonic acid group related to proton movement at the end can move relatively freely in the wet electrolyte, but the hydrophilic sulfonic acid group has the above hydrophobic property. Since the region cannot be approached, the sulfonic acid group is microscopically separated from the catalyst metal. Thus, when the sulfonic acid group involved in proton conduction is separated from the catalyst metal, the potential rise is locally suppressed around the catalyst metal. Therefore, even in a hydrogen deficient state, the Pt elution reaction shown in the above-described formula (2) proceeds, or the carbon particles shown in the above-described formula (1) are oxidized in the carbon particles supporting the catalyst metal. The reaction does not proceed.

上記のように触媒金属近傍では局所的に電位上昇が抑えられるが、水素欠乏状態のアノード電極21全体では電極電位が高い状態となっており、このとき、水分解触媒であるRuO2によって、既述した(3)式に示した水の分解反応が進行する。水の分解反応は、燃料電池で正常に発電が行なわれるときの電極電位ではほとんど進行しないが、水素欠乏状態のように電極電位が上昇したときには活発に進行する反応である。(3)式に示すように、水の分解反応が進行することで電子およびプロトンが放出される。ここで、水分解触媒は、PtおよびAuとは異なるカーボン粒子上に担持されており、RuO2の近傍には電解質のスルホン酸基が近づくことができるため、水の分解反応で生じたプロトンは、電解質のスルホン酸基に支障なく受け渡される。分解反応に供される水は、電解質中に存在するものであり、また、水素を含有する燃料ガスを介して供給したり、電解質膜20から供給することも可能である。したがって、水素欠乏状態が続く間は、アノード電極21は、図5に示す状態を維持しつつ、水分解触媒上で水の分解反応を継続して進行することができる。なお、このような水素欠乏状態であっても、カソード電極22においては、空気が支障なく供給される限り、(5)式に示した通常の反応が進行し続ける。 As described above, the potential rise is locally suppressed in the vicinity of the catalyst metal, but the electrode potential is high in the entire anode electrode 21 in a hydrogen-deficient state. At this time, the RuO 2 that is a water splitting catalyst is already used. The water decomposition reaction shown in the above-described equation (3) proceeds. The water decomposition reaction hardly proceeds at the electrode potential when power generation is normally performed in the fuel cell, but actively proceeds when the electrode potential rises as in a hydrogen-deficient state. As shown in the formula (3), electrons and protons are released as the water decomposition reaction proceeds. Here, the water splitting catalyst is supported on carbon particles different from Pt and Au, and since the sulfonic acid group of the electrolyte can approach the vicinity of RuO 2 , the proton generated by the water splitting reaction is , And passed to the electrolyte sulfonic acid group without any problem. The water used for the decomposition reaction is present in the electrolyte, and can also be supplied via a fuel gas containing hydrogen or supplied from the electrolyte membrane 20. Therefore, while the hydrogen deficiency state continues, the anode electrode 21 can continue the water decomposition reaction on the water decomposition catalyst while maintaining the state shown in FIG. Even in such a hydrogen-deficient state, as long as air is supplied without hindrance at the cathode electrode 22, the normal reaction shown in the equation (5) continues to proceed.

この単セル10において水素の供給状態が回復すると、アノード電極21では電極電位が低下して、通常の電気化学反応が再開される。すなわち、チオール基のAuへの吸着は可逆的な反応であるため、電極電位の低下と共にチオール基はAuから解離して、親水性のスルホン酸基がPtに近づくことが可能となり、Pt上では水素を用いた通常の反応が再開される。   When the supply state of hydrogen is restored in the single cell 10, the electrode potential is lowered at the anode electrode 21, and the normal electrochemical reaction is resumed. That is, since adsorption of thiol groups onto Au is a reversible reaction, the thiol groups dissociate from Au as the electrode potential decreases, making it possible for hydrophilic sulfonic acid groups to approach Pt. Normal reaction with hydrogen is resumed.

以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、燃料電池内で部分的に燃料ガスの供給状態に不具合が生じ、いずれかの単セル10が水素欠乏状態となったときに、この単セル10のアノード電極21において、触媒金属の周囲で局所的に電位の上昇を抑えることができる。そして、触媒金属の周囲で局所的に電位上昇を抑えることにより、電極の構造劣化を伴う反応を抑制することができる。したがって、燃料電池内で部分的に燃料ガスの供給状態に不具合が生じた場合にも、電池性能を維持すると共に、燃料電池の耐久性を向上させることができる。   According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, when a problem occurs in the supply state of the fuel gas partially in the fuel cell, and any one cell 10 is in a hydrogen-deficient state, In the anode electrode 21 of the single cell 10, an increase in potential can be suppressed locally around the catalyst metal. Then, by suppressing the potential increase locally around the catalyst metal, it is possible to suppress a reaction accompanied by the structural deterioration of the electrode. Therefore, even when a failure occurs in the fuel gas supply state partially in the fuel cell, the battery performance can be maintained and the durability of the fuel cell can be improved.

特に、PtとAuとを同じカーボン粒子上に担持させているため、チオール基がAuに吸着するときには、チオール基が端部に導入された疎水性側鎖の働きにより、Ptの周辺を、充分に疎水性を示す状態にすることができる。したがって、触媒金属の周囲における電位上昇を効果的に抑制することができる。   In particular, since Pt and Au are supported on the same carbon particles, when the thiol group is adsorbed to Au, the periphery of Pt is sufficiently affected by the action of the hydrophobic side chain introduced at the end of the thiol group. Can be brought into a state of being hydrophobic. Therefore, the potential increase around the catalyst metal can be effectively suppressed.

また、本実施例では、アノード電極21に水分解触媒を設けることによって、水素欠乏状態において水の分解反応を積極的に行なっている。水の分解反応は、Ptの溶出反応やカーボンの酸化反応とは異なり、燃料電池の構造劣化は伴わない。また、水の分解反応は、特別に水分解触媒を設けない場合にも、電極電位の上昇時には進行し得る反応であるが、水分解触媒を設けることで、より積極的に水の分解反応を進行させることができる。このように水の分解反応を積極的に進行させることにより、水素欠乏状態が継続する場合にも、アノード電極21の構造劣化を伴う反応を進行させることなく電子およびプロトンを生成し、燃料電池全体としては支障なく発電する状態を維持することが可能となる。   Further, in this embodiment, the water decomposition catalyst is positively performed in the hydrogen deficient state by providing the anode electrode 21 with a water decomposition catalyst. Unlike the Pt elution reaction and the carbon oxidation reaction, the water decomposition reaction is not accompanied by structural deterioration of the fuel cell. In addition, the water decomposition reaction is a reaction that can proceed when the electrode potential rises even when no water decomposition catalyst is provided. However, by providing a water decomposition catalyst, the water decomposition reaction can be carried out more actively. Can be advanced. By actively advancing the water decomposition reaction in this manner, even when the hydrogen deficiency state continues, electrons and protons are generated without advancing the reaction accompanied by the structural deterioration of the anode electrode 21, and the entire fuel cell As a result, it is possible to maintain the power generation state without any problem.

ここで、水分解触媒は、PtおよびAuを担持するカーボン粒子とは異なるカーボン粒子上に担持されている。したがって、アノード電極21の電極電位が上昇してチオール基がAuに吸着するときに、水分解触媒はチオール基の吸着反応の影響を受けることがなく、周囲の状態が特に疎水性になることもないため、水の分解反応の活性を効果的に維持することができる。   Here, the water splitting catalyst is supported on carbon particles different from the carbon particles supporting Pt and Au. Therefore, when the electrode potential of the anode electrode 21 rises and the thiol group is adsorbed to Au, the water splitting catalyst is not affected by the adsorption reaction of the thiol group, and the surrounding state becomes particularly hydrophobic. Therefore, the activity of the water decomposition reaction can be effectively maintained.

なお、水素欠乏状態となったときにスルホン酸基に対してプロトンを供給するRuO2を担持するカーボンでは、チオール基がAuに吸着した後にも、電位が高い状態が継続する。しかしながら本実施例では、RuO2担持カーボンとして、特に耐久性の高い(反応性の低い)グラファイトを用いているため、RuO2担持カーボン粒子においてカーボンの酸化反応が進行するのを抑え、アノード電極21の構造劣化を抑えることができる。 Note that, in the case of carbon carrying RuO 2 that supplies protons to the sulfonic acid group when the hydrogen deficiency state is reached, the state of high potential continues even after the thiol group is adsorbed to Au. In this embodiment, however, as RuO 2 on carbon, in particular due to the use of high durability (less reactive) graphite, suppress the oxidation reaction of carbon in the RuO 2 supported carbon particles progresses, the anode electrode 21 Deterioration of the structure can be suppressed.

図6に、本実施例の燃料電池について、水素欠乏状態にしたときの性能を調べた結果を示す。図中、実施例として示したグラフは、既述したアノード電極21を備える本実施例の燃料電池における結果を示す。また、比較例として示したグラフは、実施例と同様の構成を有するが、アノード電極として、Auおよび水分解触媒を備えず、電解質にチオール基が導入されていない電極を用いた燃料電池における結果を表わす。実施例および比較例の燃料電池は、それぞれ単セルの状態で用意し、水素欠乏状態となる運転状態(水素欠乏運転)を繰り返し行なって、電池性能の変化を調べた。   FIG. 6 shows the results of examining the performance of the fuel cell of this example when the fuel cell is in a hydrogen deficient state. In the figure, the graph shown as an example shows the result in the fuel cell of the present example including the anode electrode 21 described above. Further, the graph shown as a comparative example has the same configuration as the example, but the result in a fuel cell using an electrode that does not include Au and a water decomposition catalyst and does not have a thiol group introduced into the electrolyte as an anode electrode. Represents. The fuel cells of the example and the comparative example were each prepared in a single cell state, and an operation state (hydrogen depletion operation) in which a hydrogen deficiency state was obtained was repeatedly performed to examine changes in battery performance.

図6に示した測定結果を得る際には、水素欠乏運転は、各単セルを常温に設置し、アノード側に500cc/minの窒素を供給すると共に、カソード側に500cc/minの空気を供給しつつ、0.5A/cm2の条件で1分間電流を掃引することにより行なった。また、水素欠乏運転の後に、通常の発電運転として、アノード側に500cc/minの水素を供給すると共に、カソード側に500cc/minの空気を供給しつつ、出力電流が0.1A/cm2となるように負荷を調節して発電を行なわせ、出力電圧を調べた。図6は、上記した水素欠乏運転と通常の発電運転とを交互に繰り返しつつ、通常の発電運転時の出力電圧を測定した結果を示すものである。横軸は、水素欠乏運転を行なった回数を表わし、縦軸は、当該回数だけ水素欠乏運転を行なった後の通常の発電運転時の出力電圧を表わす。図6では、水素欠乏状態の運転を所定の回数行なった後の通常の発電運転時における出力電圧の値を、順次つないだグラフとして、結果を示している。 When obtaining the measurement results shown in FIG. 6, in the hydrogen-deficient operation, each single cell is installed at room temperature, 500 cc / min nitrogen is supplied to the anode side, and 500 cc / min air is supplied to the cathode side. However, the current was swept for 1 minute under the condition of 0.5 A / cm 2 . In addition, as a normal power generation operation after the hydrogen depletion operation, while supplying 500 cc / min hydrogen to the anode side and supplying 500 cc / min air to the cathode side, the output current is 0.1 A / cm 2 . The load was adjusted so that power was generated, and the output voltage was examined. FIG. 6 shows the results of measuring the output voltage during normal power generation operation while alternately repeating the above-described hydrogen deficient operation and normal power generation operation. The horizontal axis represents the number of times that the hydrogen depletion operation has been performed, and the vertical axis represents the output voltage during normal power generation operation after the number of times of hydrogen depletion operation. In FIG. 6, the results are shown as a graph in which output voltage values during normal power generation operation after a predetermined number of times of operation in a hydrogen deficient state are sequentially connected.

図6に示すように、水素欠乏運転の繰り返しに伴い、比較例の燃料電池では出力電圧が次第に低下するのに対して、本実施例の燃料電池では、水素欠乏運転を繰り返しても、高い出力電圧を維持することができた。より具体的には、比較例の燃料電池では、水素欠乏運転を5回程度繰り返すと、その後の通常の発電運転時における出力電圧が、水素欠乏運転を開始する前に示した出力電圧に比べて30%程度低下した。これに対して、実施例の燃料電池では、水素欠乏運転を同様に5回程度繰り返しても、通常の発電運転時における出力電圧は、水素欠乏運転を開始する前に示した出力電圧とほぼ同程度を維持していた。これは、実施例の燃料電池では、水素欠乏状態の運転時にアノード電極21の構造劣化が抑えられて、電池性能の低下が防止できたためと考えられる。   As shown in FIG. 6, the output voltage gradually decreases in the fuel cell of the comparative example as the hydrogen deficient operation is repeated, whereas in the fuel cell of the present example, even if the hydrogen deficient operation is repeated, a high output is achieved. The voltage could be maintained. More specifically, in the fuel cell of the comparative example, when the hydrogen depletion operation is repeated about five times, the output voltage during the subsequent normal power generation operation is compared with the output voltage shown before the start of the hydrogen depletion operation. It decreased by about 30%. In contrast, in the fuel cell of the example, even when the hydrogen depletion operation is repeated about five times in the same manner, the output voltage during the normal power generation operation is almost the same as the output voltage shown before the start of the hydrogen depletion operation. The degree was maintained. This is considered to be because in the fuel cell of the example, the structural deterioration of the anode electrode 21 was suppressed during operation in a hydrogen-deficient state, and the deterioration of the cell performance could be prevented.

D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

D1.変形例1:
アノード電極21が備える電解質として、パーフルオロスルホン酸系電解質以外の種類の固体高分子電解質を用いても良い。例えば、炭化水素系電解質を用いることができる。炭化水素系電解質の一例を図7に示す。図7は、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸系の電解質を示す。図7に示す電解質は、ポリエーテルエーテルケトンが重合した主鎖と、この主鎖に導入したスルホン酸基およびチオール基を備えている。このように、プロトン伝導に関わる親水性のイオン交換基と、疎水性側鎖に設けられたチオール基とを有する電解質であれば、実施例の電解質に代えて用いて、同様の効果を得ることができる。
D1. Modification 1:
As the electrolyte included in the anode electrode 21, a solid polymer electrolyte of a type other than the perfluorosulfonic acid electrolyte may be used. For example, a hydrocarbon-based electrolyte can be used. An example of the hydrocarbon electrolyte is shown in FIG. FIG. 7 shows an aromatic polyetherketone sulfonic acid electrolyte. The electrolyte shown in FIG. 7 includes a main chain obtained by polymerizing polyether ether ketone, and a sulfonic acid group and a thiol group introduced into the main chain. Thus, if the electrolyte has a hydrophilic ion exchange group related to proton conduction and a thiol group provided on the hydrophobic side chain, the same effect can be obtained by using it instead of the electrolyte of the example. Can do.

なお、実施例では、アノード電極21が備える電解質も、電解質膜20を構成する電解質も、共に、パーフルオロスルホン酸系の電解質としたが、一方の電解質を炭化水素系電解質とする等、異なる種類の電解質を組み合わせることとしても良い。   In the embodiment, the electrolyte provided in the anode electrode 21 and the electrolyte constituting the electrolyte membrane 20 are both perfluorosulfonic acid type electrolytes, but different types such as one electrolyte being a hydrocarbon type electrolyte. It is also possible to combine these electrolytes.

D2.変形例2:
実施例ではアノード電極が備える電解質は、プロトン伝導性に関わる親水基を有する側鎖と、チオール基を有する疎水性の側鎖と、を有することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、電解質として、親水性のイオン交換基を有する電解質を用い、この電解質とは別に、チオール基と疎水性の原子団とを有する疎水性化合物をさらに用意して、両者を混合してアノード電極を作製しても良い。この場合にも、アノード電極が全体として電位が上昇する場合には、チオール基が触媒金属近傍のAuに吸着して触媒金属の周囲が局所的に疎水性を示す状態となるため、電解質が備える親水性のイオン交換基が触媒金属に接近するのを妨げ、同様の効果を得ることができる。なお、この場合にも、電解質が側鎖端部に親水基を有したり、疎水性化合物も疎水性原子団から成る側鎖上にチオール基を有するなど、親水基およびチオール基の動きの自由度が確保されていることが望ましい。
D2. Modification 2:
In the embodiment, the electrolyte included in the anode electrode has a side chain having a hydrophilic group related to proton conductivity and a hydrophobic side chain having a thiol group, but may have different configurations. For example, an electrolyte having a hydrophilic ion exchange group is used as the electrolyte, and separately from this electrolyte, a hydrophobic compound having a thiol group and a hydrophobic atomic group is further prepared, and both are mixed to form an anode electrode May be produced. Also in this case, when the potential of the anode electrode as a whole increases, the thiol group is adsorbed to Au in the vicinity of the catalyst metal and the periphery of the catalyst metal becomes locally hydrophobic, so that the electrolyte is provided. It is possible to prevent the hydrophilic ion exchange group from approaching the catalyst metal and obtain the same effect. Even in this case, the electrolyte has a hydrophilic group at the end of the side chain, and the hydrophobic compound also has a thiol group on the side chain composed of a hydrophobic atomic group. It is desirable that the degree is secured.

D3.変形例3:
また、水分解触媒として、RuO2以外の種類の水分解触媒を用いても良い。例えば、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、二酸化鉛(PbO2)等を用いることができる。
D3. Modification 3:
Further, as the water splitting catalyst, a type of water splitting catalyst other than RuO 2 may be used. For example, nickel (Ni), iron (Fe), lead dioxide (PbO 2 ), or the like can be used.

また、水分解触媒を、カーボン粒子などの担体上に担持しない構成も可能である。例えば、水分解触媒を担体上に担持することなく用意して、触媒金属およびAuを担持したカーボン粒子と共に電極材料ペーストを作製し、アノード電極を形成しても良い。アノード電極中において、触媒金属と充分に距離をあけて水分解触媒を配設できれば、同様の効果が得られる。   Further, a configuration in which the water splitting catalyst is not supported on a carrier such as carbon particles is also possible. For example, a water splitting catalyst may be prepared without being supported on a carrier, and an electrode material paste may be prepared together with carbon particles supporting a catalytic metal and Au to form an anode electrode. If the water splitting catalyst can be disposed in the anode electrode with a sufficient distance from the catalyst metal, the same effect can be obtained.

D4.変形例4:
さらに、水分解触媒を有しないアノード電極とすることもできる。アノード電極が水分解触媒を有する方が、水素欠乏状態が継続する場合にも継続して電子およびプロトンを生成することができて、より好ましい。しかしながら、水分解触媒を有しなくても、触媒金属の周囲において局所的に電位上昇を抑え、構造劣化につながる望ましくない反応を抑える効果を得ることができるため、特に短期間の水素不足には、電池性能を維持する充分な効果が得られる。
D4. Modification 4:
Furthermore, it can also be set as the anode electrode which does not have a water splitting catalyst. It is more preferable that the anode electrode has a water splitting catalyst because electrons and protons can be continuously generated even when the hydrogen-deficient state continues. However, even without having a water splitting catalyst, it is possible to obtain an effect of suppressing potential rise locally around the catalytic metal and suppressing undesirable reactions that lead to structural degradation. A sufficient effect of maintaining the battery performance can be obtained.

D5.変形例5:
また、アノード電極が備える触媒金属としては、活性の高さからPtが好ましいが、Pt−RuなどのPtを含有する合金や、他種の貴金属を用いることとしても良い。なお、触媒金属としてAuを用い、電池反応を促進する機能と、水素欠乏時にチオール基を引きつける機能とを兼ね備えることも可能である。
D5. Modification 5:
The catalytic metal provided in the anode electrode is preferably Pt because of its high activity, but an alloy containing Pt such as Pt—Ru or other types of precious metals may be used. In addition, it is also possible to use Au as a catalyst metal and to have a function of promoting a battery reaction and a function of attracting a thiol group when hydrogen is deficient.

D6.変形例6:
また、触媒金属およびAuや、水分解触媒を担持する担体は、カーボン粒子に限るものではなく、電子伝導性を有するセラミック粒子など、他種の担体を用いても良い。電極電位の上昇時に、酸化等による劣化を起こし難い材料で担体を構成すれば、アノード電極の耐久性をさらに向上させることができる。
D6. Modification 6:
Further, the carrier supporting the catalyst metal, Au, and the water splitting catalyst is not limited to carbon particles, and other types of carriers such as ceramic particles having electron conductivity may be used. The durability of the anode electrode can be further improved if the carrier is made of a material that does not easily deteriorate due to oxidation or the like when the electrode potential rises.

D7.変形例7:
実施例のアノード電極では、スルホン酸基によってプロトン伝導を行なう電解質を用いたが、異なる種類の電解質を用いても良い。例えば、カルボン酸基を備え、カルボン酸基によってプロトン伝導を行なう電解質を用いても良い。実施例と同様に、電解質におけるプロトン伝導に関わるイオン交換基が親水性であれば、疎水基の近傍に設けられたチオール基をAuに吸着させて、触媒金属の周囲を疎水性状態とすることで、実施例と同様に触媒金属の周囲の電位上昇を局所的に抑えることができる。
D7. Modification 7:
In the anode electrode of the example, an electrolyte that conducts protons by sulfonic acid groups is used, but a different type of electrolyte may be used. For example, an electrolyte that includes a carboxylic acid group and conducts proton conduction by the carboxylic acid group may be used. As in the examples, if the ion exchange group involved in proton conduction in the electrolyte is hydrophilic, the thiol group provided in the vicinity of the hydrophobic group is adsorbed to Au, and the periphery of the catalyst metal is made hydrophobic. Thus, similarly to the embodiment, the potential increase around the catalyst metal can be locally suppressed.

D8.変形例8:
実施例では、本発明のアノード電極を、通常の固体高分子型燃料電池に用いることとしたが、その他に、例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に本発明のアノード電極を適用することもできる。ダイレクトメタノール型燃料電池においても、本発明のアノード電極を用いることで、一部の単セルのアノード電極で一時的に電位が上昇する場合に、電池構造の劣化および電池性能の低下を抑える同様の効果を得ることができる。
D8. Modification 8:
In the examples, the anode electrode of the present invention is used in a normal solid polymer fuel cell, but the anode electrode of the present invention can also be applied to, for example, a direct methanol fuel cell. Even in a direct methanol fuel cell, by using the anode electrode of the present invention, when the potential temporarily rises at the anode electrode of some single cells, the same thing can be achieved to suppress deterioration of the battery structure and battery performance. An effect can be obtained.

単セル10の構成の概略を現わす断面模式図である。2 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the configuration of a single cell 10. FIG. アノード電極21の様子を拡大して表わす模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an enlarged state of an anode electrode 21. アノード電極21の製造工程を表わす説明図である。5 is an explanatory diagram illustrating a manufacturing process of an anode electrode 21. FIG. 実施例の電解質を合成するための工程の概要を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline | summary of the process for synthesize | combining the electrolyte of an Example. 水素欠乏状体となったときのアノード電極21の様子を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the mode of the anode electrode 21 when it becomes a hydrogen deficient state. 水素欠乏状態にしたときの燃料電池の性能を調べた結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of having investigated the performance of the fuel cell when it was made into the hydrogen deficient state. 炭化水素系電解質の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a hydrocarbon type electrolyte.

符号の説明Explanation of symbols

10…単セル
20…電解質膜
21…アノード電極
22…カソード電極
23,24…ガス拡散層
25,26…セパレータ
27…単セル内燃料ガス流路
28…単セル内酸化ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Single cell 20 ... Electrolyte membrane 21 ... Anode electrode 22 ... Cathode electrode 23, 24 ... Gas diffusion layer 25, 26 ... Separator 27 ... Fuel gas flow path in a single cell 28 ... Oxidation gas flow path in a single cell

Claims (17)

燃料電池のアノード電極であって、
該アノード電極中に分散して設けられ、電池反応を促進する触媒金属と、
前記アノード電極全体の電位が上昇する電位上昇時に、前記触媒金属における電位上昇を局所的に抑える電位上昇抑制機構と
を備えるアノード電極。
An anode electrode of a fuel cell,
A catalyst metal that is dispersed in the anode electrode and promotes a battery reaction;
An anode electrode comprising: a potential increase suppression mechanism that locally suppresses a potential increase in the catalyst metal when the potential of the entire anode electrode increases.
請求項1記載のアノード電極であって、さらに、
親水性を示すと共にプロトン伝導性を実現するイオン交換基を有する固体高分子電解質を、前記触媒金属と混合された状態で備え、
前記電位上昇抑制機構は、前記電位上昇時には前記触媒金属の周囲が局所的に疎水性を示す状態とすることにより、前記触媒金属において局所的に電位上昇を抑える
アノード電極。
The anode electrode according to claim 1, further comprising:
A solid polymer electrolyte having an ion exchange group that exhibits hydrophilicity and proton conductivity is provided in a state of being mixed with the catalyst metal,
The potential increase suppression mechanism suppresses a potential increase locally in the catalyst metal by causing the periphery of the catalyst metal to be locally hydrophobic when the potential increases. Anode electrode.
請求項2記載のアノード電極であって、さらに、
前記触媒金属の近傍に設けられた金(Au)を備え、
前記電解質はさらに、疎水性の原子団と、該原子団の近傍に設けられたチオール基(−SH)と、を備え、
前記電位上昇抑制機構は、前記Auと前記チオール基とによって構成される
アノード電極。
The anode electrode according to claim 2, further comprising:
Comprising gold (Au) provided in the vicinity of the catalyst metal;
The electrolyte further includes a hydrophobic atomic group, and a thiol group (-SH) provided in the vicinity of the atomic group,
The potential increase suppressing mechanism is constituted by the Au and the thiol group.
請求項3記載のアノード電極であって、
前記電解質は、前記イオン交換基を有する第1の側鎖と、前記疎水性の原子団および前記チオール基を有する第2の側鎖と、を備える
アノード電極。
The anode electrode according to claim 3, wherein
The electrolyte includes a first side chain having the ion exchange group, and a second side chain having the hydrophobic atomic group and the thiol group.
請求項2記載のアノード電極であって、さらに、
前記触媒金属の近傍に設けられた金(Au)と、
チオール基(−SH)および疎水性の原子団を有する疎水性化合物と、
を備え、
前記電位上昇抑制機構は、前記Auと前記チオール基とによって構成される
アノード電極。
The anode electrode according to claim 2, further comprising:
Gold (Au) provided in the vicinity of the catalyst metal;
A hydrophobic compound having a thiol group (-SH) and a hydrophobic atomic group;
With
The potential increase suppressing mechanism is constituted by the Au and the thiol group.
請求項3ないし5いずれか記載のアノード電極であって、さらに、
電子伝導性を有する物質からなる微粒子である第1の担体粒子を備え、
前記触媒金属およびAuは、共に、前記第1の担体粒子上に分散担持されている
アノード電極。
The anode electrode according to any one of claims 3 to 5, further comprising:
Comprising first carrier particles which are fine particles made of a substance having electron conductivity;
The catalyst metal and Au are both dispersed and supported on the first carrier particles. Anode electrode.
請求項2ないし6いずれか記載のアノード電極であって、
前記イオン交換基は、スルホン酸基である
アノード電極。
The anode electrode according to any one of claims 2 to 6,
The ion exchange group is a sulfonic acid group.
請求項1ないし7いずれか記載のアノード電極であって、さらに、
水の分解反応を促進する水分解触媒を備える
アノード電極。
The anode electrode according to any one of claims 1 to 7, further comprising:
An anode electrode equipped with a water decomposition catalyst that promotes water decomposition reaction.
請求項8記載のアノード電極であって、
前記水分解触媒は、RuO2である
アノード電極。
The anode electrode according to claim 8, wherein
The water splitting catalyst is RuO 2 An anode electrode.
請求項8または9記載のアノード電極であって、さらに、
電子伝導性を有する物質からなる微粒子である第2の担体粒子を備え、
前記第2の担体粒子は、前記触媒金属を担持することなく、前記水分解触媒を担持している
アノード電極。
The anode electrode according to claim 8 or 9, further comprising:
Second carrier particles, which are fine particles made of a substance having electron conductivity,
The second carrier particles carry the water decomposition catalyst without carrying the catalyst metal. Anode electrode.
請求項1記載のアノード電極を備える燃料電池。   A fuel cell comprising the anode electrode according to claim 1. 電解質層と、該電解質層上に設けられたアノード電極およびカソード電極を備える燃料電池であって、
前記電解質層は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜であり、
前記アノード電極は、請求項2ないし10いずれか記載のアノード電極である
燃料電池。
A fuel cell comprising an electrolyte layer, and an anode electrode and a cathode electrode provided on the electrolyte layer,
The electrolyte layer is a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity,
The fuel cell according to any one of claims 2 to 10, wherein the anode electrode is the anode electrode.
燃料電池のアノード電極の製造方法であって、
(a)電子伝導性を有する微粒子上に、電池反応を促進する触媒金属と、金(Au)とを担持させる工程と、
(b)親水性を示すと共にプロトン伝導性を実現するイオン交換基と、疎水性の原子団と、該原子団の近傍に設けられたチオール基(−SH)と、を備える電解質を用意する工程と、
(c)前記触媒金属および前記Auを担持する前記微粒子と、前記電解質とを混合して得られるペーストを用いて、前記アノード電極を形成する工程と
を備えるアノード電極の製造方法。
A method for producing an anode electrode of a fuel cell, comprising:
(A) a step of supporting a catalyst metal that promotes a battery reaction and gold (Au) on fine particles having electron conductivity;
(B) A step of preparing an electrolyte including an ion exchange group that exhibits hydrophilicity and realizes proton conductivity, a hydrophobic atomic group, and a thiol group (-SH) provided in the vicinity of the atomic group. When,
(C) A method for producing an anode electrode, comprising the step of forming the anode electrode using a paste obtained by mixing the catalyst metal and the fine particles supporting Au and the electrolyte.
請求項13記載のアノード電極の製造方法であって、
前記(b)工程は、
(b−1)疎水性の側鎖を有する高分子であって、側鎖の一部の端部にはイオン交換基としてのスルホン酸基を有すると共に、側鎖の他の一部の端部にはスルホニル基を有する高分子を用意する工程と、
(b−2)前記スルホニル基を有する側鎖に、前記チオール基を導入する工程と
を備えるアノード電極の製造方法。
A method for producing an anode electrode according to claim 13,
The step (b)
(B-1) A polymer having a hydrophobic side chain, having a sulfonic acid group as an ion exchange group at one end of the side chain and another end of the other side chain Preparing a polymer having a sulfonyl group,
(B-2) A method for producing an anode electrode comprising: introducing the thiol group into a side chain having the sulfonyl group.
請求項13または14記載のアノード電極の製造方法であって、さらに、
(d)水分解触媒を用意する工程を備え、
前記(c)工程は、前記微粒子および前記電解質に加えて、さらに前記水分解触媒を一緒に混合して前記ペーストを作製する
アノード電極の製造方法。
The method for producing an anode electrode according to claim 13 or 14, further comprising:
(D) comprising a step of preparing a water splitting catalyst;
In the step (c), in addition to the fine particles and the electrolyte, the water decomposition catalyst is further mixed together to produce the paste.
燃料電池のアノード電極の製造方法であって、
(a)電子伝導性を有する微粒子上に、電池反応を促進する触媒金属と、金(Au)とを担持させる工程と、
(b)親水性を示すと共にプロトン伝導性を実現するイオン交換基を備える電解質を用意する工程と、
(c)チオール基(−SH)および疎水性の原子団を有する疎水性化合物を用意する工程と、
(d)前記触媒金属および前記Auを担持する前記微粒子と、前記電解質と、前記疎水性化合物とを混合して得られるペーストを用いて、前記アノード電極を形成する工程と
を備えるアノード電極の製造方法。
A method for producing an anode electrode of a fuel cell, comprising:
(A) a step of supporting a catalyst metal that promotes a battery reaction and gold (Au) on fine particles having electron conductivity;
(B) providing an electrolyte comprising an ion exchange group that exhibits hydrophilicity and realizes proton conductivity;
(C) preparing a hydrophobic compound having a thiol group (-SH) and a hydrophobic atomic group;
(D) Production of an anode electrode comprising a step of forming the anode electrode using a paste obtained by mixing the fine particles supporting the catalytic metal and the Au, the electrolyte, and the hydrophobic compound. Method.
請求項16記載のアノード電極の製造方法であって、さらに、
(e)水分解触媒を用意する工程を備え、
前記(d)工程は、前記微粒子と前記電解質と前記疎水性化合物とに加えて、さらに前記水分解触媒を一緒に混合して前記ペーストを作製する
アノード電極の製造方法。
The method for producing an anode electrode according to claim 16, further comprising:
(E) comprising a step of preparing a water splitting catalyst;
In the step (d), in addition to the fine particles, the electrolyte, and the hydrophobic compound, the paste is prepared by further mixing the water decomposition catalyst together.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007046239A1 (en) * 2005-10-17 2007-04-26 Kaneka Corporation Electrolyte composition for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell using same, and fuel cell
JP2018198182A (en) * 2017-05-25 2018-12-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cell and method of producing the same
CN114388817A (en) * 2021-12-27 2022-04-22 深圳航天科技创新研究院 Alkaline fuel cell and electrode structure thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007046239A1 (en) * 2005-10-17 2007-04-26 Kaneka Corporation Electrolyte composition for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell using same, and fuel cell
JPWO2007046239A1 (en) * 2005-10-17 2009-04-23 株式会社カネカ Electrolyte composition for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell using the same, and fuel cell
JP2018198182A (en) * 2017-05-25 2018-12-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 Electrode catalyst layer for fuel cell and method of producing the same
CN114388817A (en) * 2021-12-27 2022-04-22 深圳航天科技创新研究院 Alkaline fuel cell and electrode structure thereof
CN114388817B (en) * 2021-12-27 2023-12-01 深圳航天科技创新研究院 Alkaline fuel cell and electrode structure thereof

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