JP2006244960A - 燃料電池 - Google Patents

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浩一郎 朝澤
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ダイハツ工業株式会社
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Abstract

【課題】 電解質層としてアニオン交換膜が用いられる燃料電池において、発電性能の向上を図ることのできる燃料電池を提供すること。
【解決手段】 アニオン交換膜からなる電解質層4と、電解質層4を挟んで対向配置される燃料側電極2および酸素側電極3とを備える燃料電池1において、酸素側電極3に、酸素を含む気体と、水とを供給させる。また、酸素側電極3を、白金の微粉末などから電解質層4と一体的に形成して、親水性とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳しくは、アニオン交換膜を電解質層として用いた固体高分子型燃料電池に関する。

現在まで、燃料電池としては、アルカリ型(AFC)、固体高分子型(PEFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体電解質型(SOFC)などの各種のものが知られている。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの、各種用途での使用が検討されている。
このような固体高分子型燃料電池では、燃料が供給される燃料側電極と、酸素が供給される酸素側電極とが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置されている。

また、このような、固体高分子型燃料電池において、電解質層としての固体高分子膜に、アニオン交換膜を用いることや、燃料側電極および酸素側電極に、白金などの貴金属からなる触媒を用いることが知られている(特許文献1参照)。
特開2000−331693号公報

しかるに、電解質層の固体高分子膜がアニオン交換膜である固体高分子型燃料電池(以下、「アニオン交換型燃料電池」という。)には、酸素側電極での反応に、酸素(O2)だけでなく、水(H2O)が必要である。
しかし、従来のアニオン交換型燃料電池では、酸素側電極に、主として、白金をカーボンに担持させたもののような、撥水性の電極が用いられている。それゆえ、酸素側電極と水(H2O)とが十分に接触せず、その結果、発電性能の低下が生じるという不具合がある。

そこで、本発明の目的は、電解質層としてアニオン交換膜が用いられる燃料電池において、発電性能の向上を図ることのできる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、
(1) 電解質層と、前記電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池において、前記電解質層は、アニオン交換膜であり、前記酸素側電極は、酸素を含む気体と、水とが供給され、かつ、親水性であることを特徴とする、燃料電池、
(2) 前記酸素側電極が、金属単体の微粉末からなり、前記電解質層と一体的に形成されていることを特徴とする、前記(1)に記載の燃料電池、
(3) 前記金属が、白金であることを特徴とする、前記(2)に記載の燃料電池、
を提供するものである。

本発明の燃料電池によれば、電解質層が、アニオン交換膜であり、酸素側電極が、親水性であることから、酸素側電極と水とを効率的に接触させることができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。

図1は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。図1において、この燃料電池1は、燃料電池セルSを備えており、燃料電池セルSは、燃料側電極2、酸素側電極3および電解質層4を備え、燃料側電極2および酸素側電極3が、それらの間に電解質層4を挟んだ状態で、対向配置されている。
燃料側電極2は、電解質層4の一方の面に対向接触されている。この燃料側電極2は、特に限定されず、例えば、多孔質担体に触媒が担持されている。

多孔質担体としては、特に限定されず、カーボンなどの、撥水性担体が挙げられる。
触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)などの周期表第8〜10(VIII)族元素や、例えば、Cu、Ag、Auなどの周期表第11(IB)族元素など、さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられ、好ましくは、Pt(白金)が挙げられる。また、燃料の種類によって一酸化炭素(CO)が副生する場合には、上記例示の元素とともに、ルテニウム(Ru)を用いることで、触媒の被毒を防止することができる。

上記例示の触媒は、多孔質担体に含浸させるなどの公知の方法によって担持させればよい。触媒の担持量は、特に限定されないが、例えば、0.1〜10.0mg/cm2、好ましくは、0.5〜5.0mg/cm2である。
燃料側電極2では、後述するように、供給される燃料と、電解質層4を通過した水酸化物イオン(OH-)とを反応させて、電子(e-)および水(H2O)を生成させる。なお、例えば、燃料が水素(H2)である場合には、電子(e-)および水(H2O)のみを生成させ、燃料がメタノール(CH3OH)である場合には、電子(e-)、水(H2O)、二酸化炭素(CO2)および副生物としての一酸化炭素(CO)を生成させ、燃料がヒドラジン(NH2NH2)である場合には、電子(e-)、水(H2O)および窒素(N2)を生成させる。

酸素側電極3は、電解質層4の他方の面に対向接触されている。この酸素側電極3は、酸素を含む気体と、水とが供給されるものであり、かつ、親水性である。このような酸素側電極3は、特に限定されないが、例えば、金属単体の微粉末からなり、電解質層4と一体的に形成されている。
金属単体の微粉末は、金属ブラック(黒色金属微粉末)とも呼ばれ、例えば、その1次粒子の平均粒子径が、1μm以下の微粉末として定義することができる。ここで、平均粒子径は、X線回折法により測定した結晶子径(クリスタット径)、または、透過型電子顕微鏡による形態観察により求めた1次粒子の平均値を指称する。なお、例えば、レーザ回折などの沈降法により求めた粒子径は、1次粒子が凝集することにより大きな値を示すことから、このような粒子径は除外される。

金属単体の微粉末(以下、金属ブラックともいう。)としては、貴金属単体の微粉末が好ましく、そのような貴金属単体としては、例えば、Pt、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、Ir(イリジウム)、Ruおよびこれらの金属の組み合わせなどが挙げられる。
金属ブラックの比表面積は、例えば、Ptブラックでは90m2/g以下、Pdブラックでは160m2/g以下、Rhブラックでは160m2/g以下、Irブラックでは90m2/g以下、Ruブラックでは160m2/g以下である。

上記の金属ブラックにおいて、所望する比表面積の金属ブラックを得るには、特に限定されないが、各種金属ブラックを、例えば、窒素などの不活性ガス雰囲気中において、例えば、1〜50℃/minの昇温速度で300〜900℃まで昇温した後、例えば、0.5〜10時間、その温度で保持する操作をすればよい。昇温速度や保持時間、保持温度は、所望の比表面積に応じて適宜選択すればよい。

また、酸素側電極3を、金属単体の微粉末から、後述する電解質層4と一体的に形成するには、特に限定されないが、例えば、膜−電極接合体を形成すればよい。膜−電極接合体を形成するには、まず、金属単体の微粉末と電解質溶液とを、例えば、1:1〜1:10の質量比において混合分散して分散液を調製し、必要により、その分散液の粘度を、アルコール類などの適量の有機溶媒を配合することにより調整する。次いで、この分散液を、例えば、スプレーコートなどの公知のコーティング方法によって、後述する電解質層4の表面に塗布し、室温で乾燥させることにより、電解質層4に定着させればよい。これにより、例えば、0.1〜10mg/cm2、好ましくは、0.5〜5mg/cm2の金属単体の微粉末を担持する膜−電極接合体を形成することができる。

上記電解質溶液としては、特に限定されないが、例えば、側鎖に4級アンモニウム基を有するフッ素系樹脂を溶媒に溶かしたものなどが挙げられる。
また、金属単体の微粉末を、親水化処理したカーボンなどの親水性担体に担持させることにより、酸素側電極3を形成することもできる。
酸素側電極3では、後述するように、供給される酸素(O2)と、電解質層4を通過した水(H2O)と、外部回路13を通過した電子(e-)とを反応させて、水酸化物イオン(OH-)を生成させる。

電解質層4は、アニオン交換膜から形成されている。アニオン交換膜としては、酸素側電極3で生成される水酸化物イオン(OH-)を、酸素側電極3から燃料側電極2へ移動させることができる媒体であれば、特に限定されないが、例えば、4級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(アニオン交換樹脂)が挙げられる。

燃料電池セルSは、さらに、燃料供給部材5および酸素供給部材6を備えている。燃料供給部材5は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、燃料側電極2に対向接触されている。そして、この燃料供給部材5には、燃料側電極2の全体に燃料を接触させるための燃料側流路7が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この燃料側流路7には、その上流側端部および下流側端部に、燃料供給部材5を貫通する供給口8および排出口9がそれぞれ連続して形成されている。

また、酸素供給部材6も、燃料供給部材5と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、酸素側電極3に対向接触されている。そして、この酸素供給部材6にも、酸素側電極3の全体に酸素(空気)を接触させるための酸素側流路10が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この酸素側流路10にも、その上流側端部および下流側端部に、酸素供給部材6を貫通する供給口11および排出口12がそれぞれ連続して形成されている。

この燃料電池1は、実際には、上記した燃料電池セルSが、複数積層されるスタック構造として形成される。そのため、燃料供給部材5および酸素供給部材6は、実際には、両面に燃料側流路7および酸素側流路10が形成されるセパレータとして構成される。
なお、図示しないが、この燃料電池1には、導電性材料によって形成される集電板が備えられており、集電板に備えられた端子から燃料電池1で発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されている。

また、後述する実施例においては、この燃料電池セルSの燃料供給部材5と酸素供給部材6とを外部回路13によって接続し、その外部回路13に電圧計14を介在させて、発生する電圧を計測するようにしている。
この燃料電池1においては、燃料が、改質などを経由することなく直接に、または、改質などを経由した上で、燃料側電極2に供給される。

燃料としては、例えば、水素(H2)、例えば、メタノール(CH3OH)、エチルアルコール(C25OH)などのアルコール類、例えば、ジメチルエーテルなどのエーテル類、例えば、ジメトキシエタンなどのアセタール類、例えば、ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH22CO2)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH32NNH2、CH3NHNHCH3)、カルボンヒドラジド((NHNH22CO)などのヒドラジン類、例えば、尿素(NH2CONH2)、例えば、アンモニア(NH3)、例えば、イミダゾール、1,3,5−トリアジン、3−アミノ−1,2,4−トリアゾールなどの複素環類、例えば、ヒドロキシルアミン(NH2OH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NH2OH・H2SO4)などのヒドロキシルアミン類などが挙げられる。上記例示の燃料は、単独または2種類以上組み合わせて用いることができる。

上記した燃料化合物のうち、炭素を含まない化合物、すなわち、水素、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミンなどは、COおよびCO2の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。
また、上記例示の燃料は、通常、水溶液として用いることができ、また、ガスとして用いることもできる。

そして、酸素供給部材6の酸素側流路10に酸素(空気)を供給しつつ、燃料供給部材5の燃料側流路7に上記した燃料を供給すれば、酸素側電極3においては、次に述べるように、燃料側電極2で発生し、外部回路13を介して移動する電子(e-)と、燃料側電極2で発生する水(H2O)と、酸素(O2)とが反応して、水酸化物イオン(OH-)を生成する。生成した水酸化物イオン(OH-)は、アニオン交換膜からなる電解質層4を、酸素側電極3から燃料側電極2へ移動する。そして、燃料側電極2においては、電解質層4を通過した水酸化物イオン(OH-)と、燃料とが反応して、電子(e-)と水(H2O)とが生成する。生成した電子(e-)は、燃料供給部材5から外部回路13を介して酸素供給部材6に移動され、酸素側電極3へ供給される。また、生成した水(H2O)は、電解質層4を燃料側電極2から酸素側電極3へ移動する。このような燃料側電極2および酸素側電極3における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。

なお、この燃料電池1の運転条件は、特に限定されないが、例えば、燃料側電極2側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、酸素側電極3側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、燃料電池セルSの温度が0〜120℃、好ましくは、20〜80℃として設定される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。

本発明の燃料電池の用途としては、例えば、自動車、船舶、航空機などにおける駆動用モータの電源や、携帯電話機などの通信端末における電源などが挙げられる。

次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
実施例1
上記した燃料電池セルSを備える燃料電池1と同一構成の装置を用いて、下記に示す燃料を、下記の条件で、燃料側流路7の供給口8からポンプによって供給するとともに、酸素側流路10の供給口11に、酸素ボンベから酸素を供給して、電圧計14により、発生電圧を測定した。

燃料電池1の具体的な装置仕様は、下記の通りである。
・燃料電池型式:固体高分子型
・セルサイズ:38mmφ(11cm2
・セル数:1(単セル)
・膜厚:30μm
・電解質層:アニオン交換膜
・燃料側電極:Pt担持カーボン(Pt/C)、カーボンに対するPtの担持量0.9mg/cm2、PEFC用触媒、「TEC10E60E」、田中貴金属工業(株)製
・酸素側電極:Ptブラック(比表面積7m2/g)、電解質層に対するPtの担持量1.4mg/cm2、田中貴金属工業(株)製
なお、酸素側電極3は、Ptブラック、アニオン交換樹脂および有機溶媒を、10:1:300(質量比)の割合で混合分散して、分散液を調製し、この分散液を電解質層に直接塗布し、これを乾燥後、ホットプレスすることにより、膜−電極接合体として形成した。

燃料側電極2に供給する燃料としては、水素(H2)ガスを用い、酸素側電極3に供給する気体としては、酸素(O2)ガスを用いた。
上記の燃料電池1において、下記の測定条件にて、発生電圧を測定した。その結果を図2中に、白丸で示す。
・燃料側電極加圧 :150kPa
・燃料側電極供給量:50mL/min
・酸素側電極加圧 :150kPa
・酸素側電極供給量:50mL/min
・セル温度 :50℃(飽和加湿)
比較例1
燃料側電極2および酸素側電極3として、下記に示すものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、燃料電池1の発生電圧を測定した。
・燃料側電極:Pt担持カーボン(Pt/C)、カーボンに対するPtの担持量0.8mg/cm2、PEFC用触媒、商品名「TEC10E60E」、田中貴金属工業(株)製
・酸素側電極:Pt担持カーボン(Pt/C)、カーボンに対するPtの担持量1.5mg/cm2、PEFC用触媒、商品名「TEC10E60E」、田中貴金属工業(株)製
電流−出力特性の評価
実施例1および比較例1で測定された発生電圧に基づいて、各燃料電池1の電流−出力特性を求めた。その結果を図2に示す。

図2に示すように、酸素側電極がPtブラックからなる親水性の実施例1の燃料電池は、酸素側電極がPt担持カーボンからなる撥水性の比較例1の燃料電池に比べて、その電流−出力特性が著しく向上していることがわかる。

本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。 燃料電池の電流−出力特性を示すグラフである。

符号の説明

1 燃料電池
2 燃料側電極
3 酸素側電極
4 電解質層
S 燃料電池セル

Claims (3)

  1. 電解質層と、前記電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池において、
    前記電解質層は、アニオン交換膜であり、
    前記酸素側電極は、酸素を含む気体と、水とが供給され、かつ、親水性であることを特徴とする、燃料電池。
  2. 前記酸素側電極が、金属単体の微粉末からなり、前記電解質層と一体的に形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。
  3. 前記金属が、白金であることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池。
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