JP2008277005A - 燃料電池に用いられる膜電極接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体において、電解質膜のドライアップを抑制する。
【解決手段】膜電極接合体１００は、電解質膜１１０の一方の面に、アノード側触媒層１２０ａを備え、他方の面に、カソード側触媒層１２０ｃを備える。そして、アノード側触媒層１２０ａは、カソード側触媒層１２０ｃよりも、厚さが薄く形成されており、アノード側触媒層１２０ａは、カソード側触媒層１２０ｃよりも、触媒の担持密度が高い担体を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体に関するものである。

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、例えば、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池があり、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜（固体高分子膜）の両面に、それぞれガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。そして、アノード、および、カソードは、それぞれ上記電気化学反応を促進するための触媒層を備える。そして、固体高分子型燃料電池では、電解質膜のプロトン伝導性を維持するために、電解質膜を適切な湿潤状態に保つ必要がある。

そこで、従来、このような膜電極接合体について、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、セルモジュールを複数有する燃料電池スタックにおいて、電解質膜のドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池（単位セル）の燃料極（アノード側の触媒層）を、酸素極（カソード側の触媒層）よりも厚くすることによって、燃料極からの水分の蒸発を抑制し、ドライアップの発生を防止する技術が記載されている。

特開２００６−３０９９４５号公報

ところで、固体高分子型燃料電池において、触媒層は、一般に、触媒（例えば、白金）を担持した担体（例えば、カーボンブラック）と電解質とを含んでおり、アノード側の触媒層に供給された燃料ガスとしての水素は、電解質中を拡散し、担体に担持された触媒との界面において、プロトンと電子とに分離される。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、アノード側の触媒層の厚さを厚くしているので、アノード側の触媒層の厚さが薄い場合と比較して、アノード側の触媒層における電解質の接ガス面積が増大する。そして、アノード側の触媒層における電解質の接ガス面積が増大すると、触媒層中の水分が水素に奪われ、電解質膜のドライアップが促進される場合があった。このような課題は、特に、燃料電池を水が蒸発しやすい比較的高温で運転する場合や、発電に供する反応ガスを無加湿で燃料電池に供給する場合に生じやすかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる膜電極接合体において、電解質膜のドライアップを抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層を接合した膜電極接合体であって、前記アノード側触媒層、および、カソード側触媒層は、それぞれ、触媒を担持した担体と、電解質と、を含み、前記アノード側触媒層は、前記カソード側触媒層よりも、厚さが薄く形成されており、前記アノード側触媒層は、前記カソード側触媒層よりも、前記触媒の担持密度が高い担体を含むことを要旨とする。

こうすることによって、アノード側触媒層における電解質の接ガス面積を、従来よりも小さくし、アノード側触媒層からの水の蒸発を抑制することができる。したがって、電解質膜のドライアップを抑制することができる。なお、電解質膜としては、例えば、固体高分子膜や、固体高分子とは異なる他の材料からなる種々の電解質膜を適用可能である。

［適用例２］適用例１の膜電極接合体において、前記触媒は、白金であり、前記担体は、前記白金を担持したカーボンであり、前記アノード側の触媒層における前記担体は、前記白金を７０重量パーセント以上担持しているようにすることが好ましい。こうすることによって、この膜電極接合体を用いた燃料電池におけるセル抵抗を低下させることができる。

［適用例３］適用例２の膜電極接合体において、前記アノード側の触媒層において、前記担体に対する前記電解質の重量比率が、０．８５±０．０５であるようにすることが好ましい。こうすることによって、この膜電極接合体を用いた燃料電池におけるセル電圧を増加させることができる。なお、本明細書において、カソードストイキ比とは、（カソードに供給される酸素の量）／（発電に利用される酸素の量）である。

本発明は、上述の膜電極接合体としての構成の他、この膜電極接合体を用いた燃料電池の発明や、膜電極接合体、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．膜電極接合体の構成：
図１は、本発明の一実施例としての膜電極接合体１００の概略構成を示す説明図である。膜電極接合体１００の断面図を示した。この膜電極接合体１００は、電解質膜１１０として、プロトン伝導性を有する固体高分子膜（例えば、ナフィオン（登録商標））を備えており、固体高分子型の燃料電池に用いられる。図中に、燃料電池（膜電極接合体１００）のアノードに供給される燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスの流れ方向と、燃料電池（膜電極接合体１００）のカソードに供給される酸化剤ガスとしての空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスの流れ方向とを、矢印で示した。

図示するように、膜電極接合体１００は、電解質膜１１０の一方の面に、アノード側触媒層１２０ａを備えている。また、膜電極接合体１００は、電解質膜１１０の他方の面に、カソード側触媒層１２０ｃを備えている。そして、アノード側触媒層１２０ａ、および、カソード側触媒層１２０ｃは、触媒を担持した担体と、電解質とを含んでいる。本実施例では、触媒として、白金（Ｐｔ）を用いるものとした。また、触媒を担持する担体として、カーボンブラックを用いるものとした。また、本実施例では、電解質膜１１０として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとしたが、ナフィオン等の固体高分子とは異なる他の材料を用いるようにしてもよい。

そして、本実施例では、カソード側触媒層１２０ｃの厚さは、１５（μｍ）であるものとした。また、カソード側触媒層１２０ｃにおいて、触媒（白金）を担持した担体（カーボンブラック）に対する触媒の割合は、４５（ｗｔ％）であるものとした。また、カソード側触媒層１２０ｃにおいて、触媒を担持した担体に対する電解質の重量比率は、１．０であるものとした。以下、触媒を担持した担体（Ｃ：カーボンブラック）に対する電解質（Ｎ：ナフィオン）の比率を「Ｎ／Ｃ比率」と呼ぶ。

また、アノード側触媒層１２０ａの厚さは、５（μｍ）であるものとした。また、アノード側触媒層１２０ａにおいて、触媒（白金）を担持した担体（カーボンブラック）に対する触媒の割合は、７０（ｗｔ％）であるものとした。また、アノード側触媒層１２０ａにおいて、Ｎ／Ｃ比率は、０．８５であるものとした。つまり、本実施例の膜電極接合体１００において、アノード側触媒層１２０ａは、カソード側触媒層１２０ｃよりも、厚さが薄く形成されており、アノード側触媒層１２０ａは、カソード側触媒層１２０ｃよりも、触媒の担持密度が高い担体を含んでいる。

Ｂ．比較例、および、実施例の効果：
図２は、本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池と、比較例の膜電極接合体を適用した燃料電池との特性を示す説明図である。

図２（ａ）に、本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池と、比較例１の膜電極接合体を適用した燃料電池とにおける、電流密度とセル抵抗との関係を示すグラフを示した。なお、比較例１の膜電極接合体は、アノード側触媒層が、カソード側触媒層の厚さと同じく１５（μｍ）であることと、アノード側触媒層における、白金を担持したカーボンブラックに対する白金の割合が、カソード側触媒層と同じく４５（ｗｔ％）であること以外は、本実施例の膜電極接合体１００と同じである。図２（ａ）において、実線で示した曲線は、本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池の特性を示している。また、破線で示した曲線は、比較例１の膜電極接合体を適用した燃料電池の特性を示している。

図２（ａ）から分かるように、本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池では、比較例１の膜電極接合体を適用した燃料電池よりもセル抵抗が低い。つまり、アノード側触媒層における白金を担持したカーボンブラックに対する白金の割合（白金の担持密度）を、カソード側触媒層よりも増加させ、アノード側触媒層の厚さを、カソード側触媒層よりも薄くすることによって、燃料電池のセル抵抗を低下させことができる。また、アノード側触媒層における電解質の接ガス面積を小さくし、アノード側触媒層からの水の蒸発を抑制することができる。したがって、電解質膜のドライアップを抑制することができる。

また、図２（ｂ）に、本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池と、比較例２の膜電極接合体を適用した燃料電池と、比較例３の膜電極接合体を適用した燃料電池とにおける、カソードストイキ比とセル電圧との関係を示すグラフを示した。ここで、カソードストイキ比とは、（カソードに供給される酸素の量）／（発電に利用される酸素の量）である。なお、比較例２、および、比較例３の膜電極接合体は、アノード側触媒層におけるＮ／Ｃ比率が、それぞれ、１．０、および、０．７５であること以外は、本実施例の膜電極接合体１００と同じである。つまり、いずれの膜電極接合体も、アノード側触媒層におけるドライアップを抑制する機能を有している。図２（ａ）において、実線で示した曲線は、本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池の特性を示している。また、破線、および、一点鎖線で示した曲線は、それぞれ、比較例２、および、比較例３の膜電極接合体を適用した燃料電池の特性を示している。

図２（ｂ）から分かるように、本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池では、比較例２、および、比較例３の膜電極接合体を適用した燃料電池よりもセル電圧が高い。これは、カソードストイキ比が低い場合に、特に顕著である。

本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池において、比較例２、および、比較例３の膜電極接合体を適用した燃料電池よりもセル電圧が高い理由は、以下の通りである。すなわち、比較例２の膜電極接合体では、本実施例の膜電極接合体１００よりもアノード側触媒層におけるＮ／Ｃ比率が高いため、アノード側触媒層における担体間の空隙が、本実施例の膜電極接合体１００のアノード側触媒層１２０ａにおける担体間の空隙よりも狭くなっている。このため、比較例２の膜電極接合体を適用した燃料電池では、発電によって生成された生成水がアノード側触媒層中で移動しにくく、すなわち、乾燥しにくく、フラッディングが生じたからである。また、比較例３の膜電極接合体では、本実施例の膜電極接合体１００よりもアノード側触媒層におけるＮ／Ｃ比率が低いため、アノード側触媒層における担体間の空隙が、本実施例の膜電極接合体１００のアノード側触媒層１２０ａにおける担体間の空隙よりも広くなっている。このため、比較例３の膜電極接合体を適用した燃料電池では、先に説明したように、膜電極接合体がアノード側触媒層におけるドライアップを抑制する機能を有してはいるものの、担体間の空隙が過剰に広くなっており、発電によって生成された生成水が移動しやすく、すなわち、乾燥しやすく、ドライアップが生じたからである。つまり、本実施例の膜電極接合体１００のように、Ｎ／Ｃ比率を０．８５付近（例えば、０．８５±０．０５）に設定することによって、上述したフラッディングや、ドライアップを抑制し、セル電圧を比較的高くすることができる。

以上説明したように、本実施例の膜電極接合体１００によれば、この膜電極接合体１００を燃料電池に適用したときに、電解質膜１１０のドライアップや、フラッディングを抑制するとともに、セル抵抗を低下させ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

上記実施例では、膜電極接合体１００のアノード側触媒層１２０ａについて、厚さを５（μｍ）とし、触媒（白金）を担持した担体（カーボンブラック）に対する触媒の割合を７０（ｗｔ％）とし、Ｎ／Ｃ比率を０．８５としたが、本発明は、これに限られない。本発明では、一般に、膜電極接合体において、アノード側触媒層が、カソード側触媒層よりも、触媒の担持密度が高い担体を含むとともに、厚さが薄く形成されているようにすればよい。また、膜電極接合体１００のカソード側触媒層１２０ｃについての上述した各パラメータ値は、先に説明した値に限られず、カソード側触媒層１２０ｃに要求される機能や、性能に基づいて、任意に設定可能である。

本発明の一実施例としての膜電極接合体１００の概略構成を示す説明図である。 本実施例の膜電極接合体１００を適用した燃料電池と比較例の膜電極接合体を適用した燃料電池との特性を示す説明図である。

符号の説明

１００…膜電極接合体
１１０…電解質膜
１２０ａ…アノード側触媒層
１２０ｃ…カソード側触媒層

Claims (3)

1. 燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層を接合した膜電極接合体であって、
   前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層は、それぞれ、触媒を担持した担体と、電解質と、を含み、
   前記アノード側触媒層は、前記カソード側触媒層よりも、厚さが薄く形成されており、
   前記アノード側触媒層は、前記カソード側触媒層よりも、前記触媒の担持密度が高い前記担体を含む、
   膜電極接合体。
2. 請求項１記載の膜電極接合体であって、
   前記触媒は、白金であり、
   前記担体は、前記白金を担持したカーボンブラックであり、
   前記アノード側触媒層において、前記カーボンブラックは、前記白金を７０質量パーセント以上担持している、膜電極接合体。
3. 請求項２記載の膜電極接合体であって、
   前記アノード側触媒層において、前記担体に対する前記電解質の重量比率は、０．８５±０．０５である、膜電極接合体。

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