JP2007134173A - 燃料電池用触媒、燃料電池用触媒の製造方法、燃料電池用接合体及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池用触媒において、内部に空間が形成された、触媒担持粒子と固体高分子電解質とを含む中空状粒子を含有することにより、ドライアップ現象やフラッディング現象による燃料電池性能の低下を抑制することができ、氷点下における燃料電池の始動時の生成水の結露による発電性能の低下を抑制することができる。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態に係る燃料電池用触媒は、触媒担持粒子と固体高分子電解質とを含む燃料電池用触媒であって、図1(a)に概略図を、図1(b)に断面図を示すように、内部に空間が形成された、触媒担持粒子2と固体高分子電解質4とを含む中空状粒子6を含有する。
次に、このようにして得られた燃料電池用触媒を使用する燃料電池について説明する。本実施形態に係る燃料電池は、燃料極(アノード触媒層)と、電解質層と、空気極(カソード触媒層)とを有する。
2H2 → 4H++4e−
で示される反応式(水素酸化反応)を経て、水素ガス(H2)から水素イオン(H+)と電子(e−)とが発生する。電子(e−)は拡散層16から外部回路を通り、拡散層16から空気極14に到達する。空気極14において、供給される空気中の酸素(O2)と、電解質膜10を通過した水素イオン(H+)と、外部回路を通じて空気極14に到達した電子(e−)により、
4H++O2+4e− → 2H2O
で示される反応式(酸素還元反応)を経て、水が生成する。このように燃料極12及び空気極14において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
<インク作製>
触媒担持粒子として60重量%白金担持カーボン1重量部と、固体高分子電解質としてナフィオン(Nafion、登録商標、デュポン社(Du Pont社)製)0.4重量部と、溶媒として水4重量部及びエタノール2.5重量部とを混合して、ボールミル、ジェットミル、超音波分散等を使用して分散を行い、インクを作製した。
上記インクを用いてスプレードライヤを用いて燃料電池用触媒粉体を作製した。スプレードライヤによる噴霧乾燥の条件(噴霧ノズル径、噴霧圧、乾燥温度、インク送液量(噴霧液量)、乾燥N2量)は表1の通りとし、乾燥温度を130℃とした。なお、乾燥温度はスプレードライヤのインク入口における温度である。得られた触媒粉体の体積平均粒径は4.5μmであった。また、得られた触媒粉体の断面を走査電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、粉体内部に空洞が形成された中空の球殻形状粒子が形成されていることがわかった。
電解質膜としてナフィオン〔Nafion、登録商標、デュポン社(Du Pont社)製〕を使用し、電解質膜上に上記中空状の触媒粉体を触媒粉体含有量が白金含有量として0.5mg/cm2となるように乾式塗布し、ロールプレス機を用いて130℃、30kgf/cmの条件で定着させた。定着後の触媒層の厚みからして触媒層のかさ密度は0.59g/ccであった。
上記のようにして作製したサンプルの電池性能を評価した。サンプルの電圧安定性の評価結果を図4に示す。図4において、各電流密度を一定に保った場合の電圧安定性(電圧値の標準偏差)を示す。また、触媒層の気孔率と電極内保水量の評価結果を図5に示す。
<中実状粒子作製>
実施例1と同じ上記インクを用いてスプレードライヤを用いて燃料電池用触媒粉体を作製した。スプレードライヤによる噴霧乾燥の条件は上記表1の通りとし、乾燥温度を実施例1より低い80℃とした。得られた触媒粉体の体積平均粒径は4.5μmであった。また、得られた触媒粉体の断面を走査電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、粉体内部には空洞が形成されていない中実状粒子が形成されていることがわかった。
電解質膜として実施例1と同様のナフィオンを使用し、電解質膜上に上記中実状の触媒粉体を触媒粉体含有量が白金含有量として0.5mg/cm2となるように乾式塗布し、ロールプレス機を用いて130℃、30kgf/cmの条件で定着させた。定着後の触媒層の厚みからして触媒層のかさ密度は0.96g/ccであった。
上記のようにして作製したサンプルの電圧安定性を実施例1と同様にして評価した。結果を図4に示す。また、触媒層の気孔率と電極内保水量の評価結果を図5に示す。
Claims (6)
- 触媒担持粒子と固体高分子電解質とを含む燃料電池用触媒であって、
内部に空間が形成された、前記触媒担持粒子と前記固体高分子電解質とを含む中空状粒子を含有することを特徴とする燃料電池用触媒。 - 請求項1に記載の燃料電池用触媒であって、
前記中空状粒子の体積平均粒径は、20μm以下であることを特徴とする燃料電池用触媒。 - 触媒担持粒子と固体高分子電解質とを含む燃料電池用触媒の製造方法であって、
前記触媒担持粒子と前記固体高分子電解質と溶媒とを混合してスラリーを作製する工程と、
前記スラリーを噴霧乾燥することにより、内部に空間が形成された、前記触媒担持粒子と前記固体高分子電解質とを含む中空状粒子を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。 - 請求項3に記載の燃料電池用触媒の製造方法であって、
前記噴霧乾燥時の乾燥温度は前記溶媒の沸点以上であることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。 - 触媒層と電解質膜とを含んで構成される燃料電池用接合体であって、
前記触媒層は、請求項1または2に記載の燃料電池用触媒を含むことを特徴とする燃料電池用接合体。 - 請求項1または2に記載の燃料電池用触媒を含む電極を有することを特徴とする燃料電池。
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