JP2009231081A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒電極層を有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell having a catalyst electrode layer.
電解質膜上に触媒電極層が形成される燃料電池が知られている。この燃料電池では、触媒電極層としてのカソード、または、アノードに、それぞれ、酸素を含有する酸化ガス、または、水素を含有する燃料ガスを供給することで電気化学反応を生じさせ、発電を行うようにしている。 A fuel cell in which a catalyst electrode layer is formed on an electrolyte membrane is known. In this fuel cell, an oxygen-containing oxidizing gas or a hydrogen-containing fuel gas is supplied to a cathode or an anode as a catalyst electrode layer, respectively, so that an electrochemical reaction occurs to generate electric power. I have to.
上記燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合において、高負荷時などにカソードが低電圧となると、カソードと電解質膜の界面付近において、酸素とプロトン等から、過酸化水素(H2O2)やOHラジカルなどの過酸化物が生成される場合がある。そうすると、電解質膜が、過酸化物によって分解され、電解質膜が劣化するおそれがあった。 In the case where the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, when the cathode is at a low voltage during a high load or the like, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated from oxygen and protons in the vicinity of the interface between the cathode and the electrolyte membrane. And peroxides such as OH radicals may be generated. As a result, the electrolyte membrane may be decomposed by the peroxide, and the electrolyte membrane may be deteriorated.
このような問題を解決するため、例えば、下記特許文献1に記載の燃料電池が開示されている。この燃料電池では、カソードを、電解質比率が比較的高い準触媒層と、電解質比率が比較的低い主触媒層とに分けると共に、準触媒層を電解質膜側に配置して、電解質膜とカソードとの界面付近に酸素が到達するのを抑制している。それに伴い、電解質膜とカソードとの界面付近において、過酸化物が生成されることを抑制し、電解質膜の劣化を抑制するようにしている。
In order to solve such a problem, for example, a fuel cell described in
しかしながら、上記特許文献1の燃料電池では、カソードがより低電圧となると、準触媒層において、過酸化物の生成反応が活発となり、準触媒層中の電解質が過酸化物によって分解され、その結果、準触媒層が細るおそれがあった。このような問題は、アノードに準触媒層が形成された場合にも生じ得る。また、このような問題は、燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合に限られず、他の燃料電池の場合にも生じ得る。
However, in the fuel cell of
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池において、電解質膜の劣化を抑制し、また、触媒電極層に形成された準触媒層が細ることを抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a technique for suppressing deterioration of an electrolyte membrane in a fuel cell and for preventing a quasi-catalyst layer formed on a catalyst electrode layer from being thinned. Objective.
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なされたものであり、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。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に形成され、担体に触媒を担持させた触媒担持担体、電解質、および、過酸化物を分解する過酸化物分解触媒を含み、前記電解質の質量を前記担体の質量で除した電解質/担体比が、所定値以上である準触媒層と、前記触媒担持担体、および、前記電解質を含み、前記準触媒層上に形成され、前記電解質/担体比が、前記所定値より小さい主触媒層と、を有する触媒電極層と、を備え、前記準触媒層は、前記過酸化物分解触媒を、電気化学反応が生じた場合における高電位である面側より、低電位である面側に多く含有することを要旨とする。
[Application Example 1]
A fuel cell, comprising: an electrolyte membrane; a catalyst-supporting carrier formed on one surface of the electrolyte membrane and having a catalyst supported on the carrier; an electrolyte; and a peroxide decomposition catalyst that decomposes peroxide An electrolyte / carrier ratio obtained by dividing the mass of the electrolyte by the mass of the carrier includes a quasi-catalyst layer having a predetermined value or more, the catalyst-supporting carrier, and the electrolyte, and is formed on the quasi-catalyst layer, A catalyst electrode layer having a main catalyst layer having an electrolyte / support ratio smaller than the predetermined value, and the quasi-catalyst layer has a high reaction rate when an electrochemical reaction occurs. The gist is to contain more in the lower potential side than in the potential side.
上記構成の燃料電池によれば、電解質膜の劣化を抑制し、触媒電極層に形成された準触媒層が細ることを抑制することができる。また、燃料電池の電池性能を向上させることができる。 According to the fuel cell having the above configuration, the deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed, and the quasi-catalyst layer formed on the catalyst electrode layer can be suppressed from being thinned. In addition, the battery performance of the fuel cell can be improved.
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池において、前記触媒電極層は、カソードであり、前記準触媒層は、前記過酸化物分解触媒を、前記高電位である面側であって前記主触媒層に接する面側より、前記低電位である面側であって前記電解質膜に接する面側に多く含有することを特徴とする燃料電池。
[Application Example 2]
In the fuel cell according to Application Example 1, the catalyst electrode layer is a cathode, and the quasi-catalyst layer is in contact with the main catalyst layer on the surface side having the high potential with respect to the peroxide decomposition catalyst. The fuel cell is characterized in that it is contained more on the surface side that is at the lower potential than the surface side and in contact with the electrolyte membrane.
このようにすれば、電解質膜の劣化を抑制し、また、カソードの準触媒層が細ることを抑制することができる。 If it does in this way, degradation of an electrolyte membrane can be controlled and it can control that a quasi-catalyst layer of a cathode becomes thin.
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池において、前記準触媒層は、前記過酸化物分解触媒を、前記高電位である面側から、前記低電位である面側に進むにつれて、多く含有することを特徴とする燃料電池。
[Application Example 3]
In the fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, the quasi-catalyst layer contains a large amount of the peroxide decomposition catalyst as it proceeds from the high-potential side to the low-potential side. A fuel cell.
このようにすれば、燃料電池の電池性能をより向上させることができる。 In this way, the battery performance of the fuel cell can be further improved.
[適用例4]
適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池において、前記所定値は、1.5〜2の範囲の数値であることを特徴とする燃料電池。
[Application Example 4]
4. The fuel cell according to any one of application examples 1 to 3, wherein the predetermined value is a numerical value in a range of 1.5 to 2.
[適用例5]
適用例1ないし適用例4のいずれかに記載の燃料電池において、前記過酸化物分解触媒は、
下記A群のうちのいずれか、下記A群のうちのいずれかの酸化物、または、下記A群のうち2つ以上を含む合金であることを特徴とする燃料電池。
A群:Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ce
[Application Example 5]
In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 4, the peroxide decomposition catalyst includes:
A fuel cell comprising any one of the following group A, an oxide of any one of the following group A, or an alloy containing two or more of the following group A.
Group A: Pd, Ir, C, Ag, Au, Rh, Ru, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ce
このようにすれば、触媒電極層に形成された準触媒層が細ることを抑制することができる。また、燃料電池の電池性能を向上させることができる。 If it does in this way, it can control that the semi-catalyst layer formed in the catalyst electrode layer becomes thin. In addition, the battery performance of the fuel cell can be improved.
[適用例6]
適用例1ないし適用例5のいずれかに記載の燃料電池において、前記過酸化物分解触媒は、WO3、Fe3O4、CePO4、CrPO4、AlPO4、FePO4、CeF3、Fe−ポルフィン、Co−ポルフィン、ヘム、カタラーゼ、のいずれかであることを特徴とする燃料電池。
[Application Example 6]
In the fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 5, the peroxide decomposition catalyst is WO 3 , Fe 3 O 4 , CePO 4 , CrPO 4 , AlPO 4 , FePO 4 , CeF 3 , Fe— A fuel cell characterized by being any one of porphin, Co-porphine, heme, and catalase.
このようにすれば、触媒電極層に形成された準触媒層が細ることを抑制することができる。また、燃料電池の電池性能を向上させることができる。 If it does in this way, it can control that the semi-catalyst layer formed in the catalyst electrode layer becomes thin. In addition, the battery performance of the fuel cell can be improved.
なお、本発明は、上記した燃料電池の他、触媒電極層や燃料電池システムなど他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、装置発明に限ることなく、燃料電池の製造方法や触媒電極層の製造方法など他の方法発明としての態様で実現することも可能である。 In addition to the fuel cell described above, the present invention can also be realized in other aspects of the device invention such as a catalyst electrode layer and a fuel cell system. Further, the present invention is not limited to the device invention, and can be realized in other aspects of the method invention such as a fuel cell manufacturing method and a catalyst electrode layer manufacturing method.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
A.実施例:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池100の概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池100は、膜電極接合体50(以下では、MEA(Membrane Electrode Assembly)50と呼ぶ)と、ガス拡散層60,70と、セパレータ80,90と、を備える。MEA50は、電解質膜10と、電解質膜10の両面に形成される触媒電極層としてのカソード20およびアノード30とから成る。燃料電池100は、MEA50をガス拡散層60,70で挟持し、さらに、そのサンドイッチ構造をセパレータ80,90で挟持して構成される。燃料電池100において、カソード20側には、酸化ガスとしての空気が供給され、アノード30側には、燃料ガスとしての水素が供給される。以下では、燃料電池100において、電解質膜10、カソード20、アノード30、ガス拡散層60,70、セパレータ80,90を積層する方向を積層方向と呼ぶ。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Example:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a
電解質膜10は、固体高分子材料、例えば、パーフルオロフルホン酸などの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、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。
The
アノード30は、触媒担持担体としての白金担持カーボンと、フッ素系の電解質とから構成される。カソード20についての詳細は、後述する。ガス拡散層60,70は、導電性を有する多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン多孔質体や、金属メッシュや発砲金属など金属多孔質体によって形成される。ガス拡散層60は、酸化ガスとしての空気を、カソード20面に沿った方向に分散させつつ、カソード20に供給する。ガス拡散層70は、燃料ガスとしての水素を、アノード30面に沿った方向に分散させつつ、アノード30に供給する。
The
セパレータ80,90は、ガス不透過の導電性部材、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や、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ80は、片面に凹部が形成されており、その凹部が形成された面とガス拡散層60との間に、ガス拡散層60に酸化ガス(空気)を供給するための酸化ガス供給流路40が形成されている。また、セパレータ90は、片面に凹部が形成されており、その凹部が形成された面とガス拡散層70との間に、ガス拡散層60に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路45が形成されている。
The
また、燃料電池100の外周部には、酸化ガス供給流路40および燃料ガス供給流路45におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。
Further, on the outer peripheral portion of the
カソード20は、電解質膜10上に設けられる準触媒層20Aと、準触媒層20A上に設けられる主触媒層20Bとから成る。
The
図2は、カソード20を説明するための説明図である。図2(A)は、図1のx領域を拡大した拡大図である。図2(B)は、燃料電池100を所定の条件で発電した場合におけるカソード20の電圧分布の様子を示した図である。図2(C)は、準触媒層20Aにおいて、後述する過酸化物分解触媒の分布の様子を示した図である。図2(B)において、横軸は、燃料電池100における積層方向の位置を示し、縦軸は、その位置に対する電圧(V)を示す。また、図2(C)において、横軸は、準触媒層20Aにおける積層方向の位置を示し、縦軸は、その位置に対する過酸化物分解触媒の単位体積辺りの量(mg)を示す。
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the
準触媒層20Aは、図2(A)に示すように、触媒担持担体としての白金担持カーボンPCと、フッ素系の電解質AOと、過酸化水素やOHラジカルなどの過酸化物を分解可能な過酸化物分解触媒HHとを含む。準触媒層20Aは、電解質の質量を担体としてのカーボンの質量で除した電解質/カーボン比が、所定値Th以上である層である。すなわち、準触媒層20Aは、電解質比率が高い層となっている。過酸化物分解触媒HHとしては、例えば、下記A群のうちのいずれか、下記A群のうちのいずれかの酸化物、または、下記A群のうち2つ以上を含む合金を用いることができる。また、過酸化物分解触媒HHとして、WO3、Fe3O4、CePO4、CrPO4、AlPO4、FePO4、CeF3、Fe−ポルフィン、Co−ポルフィン、ヘム、カタラーゼなどを用いることができる。
A群:Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ce
As shown in FIG. 2A, the
Group A: Pd, Ir, C, Ag, Au, Rh, Ru, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ce
なお、所定値Thは、燃料電池100の具体的設計等で決まるが、例えば、所定値Thは、1〜3の範囲の数値が望ましく、1.3〜2.5の範囲の数値が特に望ましく、1.5〜2の範囲の数値が最も望ましい。
The predetermined value Th is determined by the specific design of the
また、本実施例の準触媒層20Aでは、図2(C)に示すように、過酸化物分解触媒HHが、主触媒層20Bに接する面側から、電解質膜10に接する面側へ進むにつれて、多く含有するように、すなわち、過酸化物分解触媒HHが、電解質膜10に接する面側から、主触媒層20Bに接する面側へ進むにつれて、少なくなるように、付与(添付)されている。言い換えれば、準触媒層20Aでは、過酸化物分解触媒HHの濃度分布が、主触媒層20Bに接する面側から、電解質膜10に接する面側へ進むにつれて高くなるように、過酸化物分解触媒HHが付与されている。
Further, in the
主触媒層20Bは、白金担持カーボンと、フッ素系の電解質と、を含み、電解質/カーボン比が、所定値Thより小さい層である。すなわち、主触媒層20Bは、電解質比率が比較的低い層となっている。従って、カソード20において、主に、主触媒層20Bで、酸化ガスは、電気化学反応に供される。
The
なお、燃料電池100を所定条件で発電した場合、カソード20では、図2(B)に示すように、ガス拡散層60に接する面側から電解質膜10に接する面側にかけて徐々に電圧降下する。
When the
ところで、燃料電池において、高負荷時などにカソードが低電圧となると、カソードと電解質膜の界面付近において、酸素とプロトン等から、過酸化水素(H2O2)やOHラジカルなどの過酸化物が生成される場合があった。そうすると、電解質膜が、過酸化物によって、分解され、電解質膜が劣化するおそれがあった。なお、過酸化水素は、例えば、下記(1)式などの反応によって生じ、また、OHラジカルは、例えば、過酸化水素から生じる。また、下記(1)式の反応は、反応場の電圧が約0.68Vから低下するにつれて、活発になり、過酸化水素の生成量が急増する。
2H++2e-+O2→H2O2・・・(1)
By the way, in a fuel cell, when the cathode is at a low voltage during a high load or the like, peroxides such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and OH radicals are formed near the interface between the cathode and the electrolyte membrane from oxygen and protons. May be generated. If it does so, there existed a possibility that an electrolyte membrane might be decomposed | disassembled by a peroxide and an electrolyte membrane might deteriorate. Hydrogen peroxide is generated, for example, by a reaction such as the following formula (1), and OH radicals are generated, for example, from hydrogen peroxide. Further, the reaction of the following formula (1) becomes active as the reaction field voltage decreases from about 0.68 V, and the amount of hydrogen peroxide generated increases rapidly.
2H + + 2e − + O 2 → H 2 O 2 (1)
このような問題を解決するため、例えば、カソードを、電解質比率の高い準触媒層と、電解質比率の低い主触媒層とに分けると共に、準触媒層を電解質膜側に配置して、電解質膜とカソード(準触媒層)との界面付近に酸化ガスとしての酸素が到達するのを妨げ、過酸化物の生成を抑制し、その結果、電解質膜の劣化を抑制する手法が考えられる。しかしながら、この手法においても、負荷が高くなり、カソードがより低電圧になると、準触媒層において、上記(1)式の反応がより活発になり、過酸化物が急増し、その過酸化物によって徐々に電解質が分解され、準触媒層が細るおそれがあった。なお、カソードがより低電圧となった場合、準触媒層において、電解質膜との界面付近(電解質膜側)は、特に電圧が低下しているので(図2(B)参照)、過酸化物が増加し易い。 In order to solve such a problem, for example, the cathode is divided into a quasi-catalyst layer having a high electrolyte ratio and a main catalyst layer having a low electrolyte ratio, and the quasi-catalyst layer is disposed on the electrolyte membrane side, A method is conceivable in which oxygen as an oxidizing gas is prevented from reaching the vicinity of the interface with the cathode (quasi-catalyst layer), the generation of peroxide is suppressed, and as a result, deterioration of the electrolyte membrane is suppressed. However, even in this method, when the load becomes high and the cathode is at a lower voltage, the reaction of the above formula (1) becomes more active in the quasi-catalyst layer, and the peroxide rapidly increases. The electrolyte was gradually decomposed, and the quasi-catalyst layer might be thinned. When the cathode has a lower voltage, the voltage is particularly lowered near the interface with the electrolyte membrane (electrolyte membrane side) in the quasi-catalyst layer (see FIG. 2B). Tends to increase.
一方、本実施例の燃料電池100では、準触媒層20Aに、過酸化物分解触媒HHが付与されている。このようにすれば、準触媒層20Aにおいて、過酸化物が生じてもそれを過酸化物分解触媒HHで分解することができ、準触媒層20Aが細ることを抑制することができる。
On the other hand, in the
図3は、準触媒層に過酸化物分解触媒HHを付与しない燃料電池と、準触媒層全体に過酸化物分解触媒HHを付与した燃料電池との電池性能を比較するためのグラフである。これらの燃料電池は、準触媒層に過酸化物分解触媒HHを付与しているか否かのみ相違し、その他の構成(例えば、アノードや主触媒層の構成等)は、同様の構成となっている。また、図3のグラフにおいて、横軸に、電流密度(A/cm2)を示し、縦軸に、出力電圧(V)を示す。 FIG. 3 is a graph for comparing cell performances of a fuel cell in which the peroxide decomposition catalyst HH is not applied to the quasi-catalyst layer and a fuel cell in which the peroxide decomposition catalyst HH is applied to the entire quasi-catalyst layer. These fuel cells differ only in whether or not the peroxide decomposition catalyst HH is applied to the quasi-catalyst layer, and other configurations (for example, configurations of the anode and the main catalyst layer, etc.) are similar. Yes. In the graph of FIG. 3, the horizontal axis represents current density (A / cm 2 ), and the vertical axis represents output voltage (V).
図3に示すように、準触媒層に過酸化物分解触媒HHを付与した燃料電池は、準触媒層に過酸化物分解触媒HHを付与しない燃料電池と比較して、電池性能が低下することがわかる。これは、過酸化物分解触媒HHが付与されたことによって、準触媒層中のプロトン抵抗が増大したり、準触媒層の電気伝導度が低下したりすることに起因すると考えられる。なお、この場合、電流密度(A/cm2)が高くなる場合、言い換えれば、高負荷時(低電圧時)において、電池性能の低下は顕著となる。 As shown in FIG. 3, the fuel cell in which the peroxide decomposition catalyst HH is applied to the quasi-catalyst layer has a lower cell performance than the fuel cell in which the peroxide decomposition catalyst HH is not applied to the quasi-catalyst layer. I understand. This is considered due to the fact that the proton resistance in the quasi-catalyst layer increases or the electrical conductivity of the quasi-catalyst layer decreases due to the addition of the peroxide decomposition catalyst HH. In this case, when the current density (A / cm 2 ) is high, in other words, the battery performance is significantly reduced at high load (low voltage).
そこで、本実施例の燃料電池100では、準触媒層20Aにおいて、過酸化物分解触媒HHを、主触媒層20Bに接する面側から、電解質膜10に接する面側へ進むにつれて、多く含有するように、言い換えれば、過酸化物分解触媒HHを、電解質膜10に接する面側から、主触媒層20Bに接する面側へ進むにつれて、少なくなるように付与するようにしている(図2(C)参照)。このようにすれば、カソード20が低電圧になった場合、準触媒層20Aにおいて、特に過酸化物が急増すると考えられる電解質膜10側付近で、過酸化物を分解することができる。その結果、準触媒層20Aが細ることを抑制することができると共に、電解質膜10が過酸化物により分解され、劣化することを抑制することができる。それに加えて、準触媒層20Aにおいて、過酸化物分解触媒HHの付与量を、過酸化物の増加率が小さい主触媒層20B側で抑制しているので、燃料電池100の電池性能の低下を抑制することができる。
Therefore, in the
なお、準触媒層20Aにおいて、主触媒層20Bに接する面側から、電解質膜10に接する面側へ進むにつれて増加する過酸化物分解触媒HHの含有率(図2(C)参照)は、燃料電池100の具体的な設計等によって決められる。
In the
また、準触媒層20Aを形成する場合には、例えば、以下の2つの方法で形成することができる。1つ目の方法として、まず、電解質/カーボン比が、所定値Th以上である触媒インクと、電解質膜10と、過酸化物分解触媒HHとを用意する。そして、その触媒インクと共に、過酸化物分解触媒HHを電解質膜10上に塗布する。この場合、過酸化物分解触媒HHは、塗布量が少なくなるように調整しつつ塗布する。その後、乾燥させる。2つ目の方法として、電解質膜10用意すると共に、電解質/カーボン比が、所定値Th以上であり、さらに、過酸化物分解触媒HHの含有量が異なった触媒インクを複数用意する。そして、過酸化物分解触媒HHの含有量が多い触媒インクから順に、電解質膜10上に塗布する。その後、乾燥させる。以上の方法により、電解質膜10上に準触媒層20Aを形成することができる。
Moreover, when forming the
なお、本実施例において、電解質膜10は、請求項における電解質膜に該当し、白金担持カーボンPCは、請求項における触媒担持担体に該当し、カーボンは、請求項における担体に該当し、電解質AOは、請求項における電解質に該当し、過酸化物分解触媒HHは、請求項における過酸化物分解触媒に該当し、準触媒層20Aは、請求項における準触媒層に該当し、主触媒層20Bは、請求項における主触媒層に該当し、カソード20は、請求項における触媒電極層に該当し、所定値Thは、請求項における所定値に該当する。
In this embodiment, the
B.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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、例えば以下のような変形も可能である。
B. Variations:
In addition, elements other than the elements claimed in the independent claims among the constituent elements in each of the above embodiments are additional elements and can be omitted as appropriate. 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.
B1.変形例1:
図4は、変形例1における燃料電池100Aの概略構成を表わす断面模式図である。上記実施例の燃料電池100では、準触媒層をカソード側に形成するようにしていたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図4に示す燃料電池100Aのごとく、準触媒層をアノード側に形成するようにしてもよい。
B1. Modification 1:
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a
具体的には、アノード30は、電解質膜10上に設けられる準触媒層30Aと、準触媒層30A上に設けられる主触媒層30Bとを備える。準触媒層30Aは、準触媒層20Aのごとく、電解質/カーボン比が、所定値Th以上であり、白金担持カーボンPCと、電解質AOと、過酸化物分解触媒HHとを含む。そして、この準触媒層30Aは、過酸化物分解触媒HHが、電解質膜10に接する面側から、主触媒層30Bに接する面側へ進むにつれて、多く含有するように、すなわち、過酸化物分解触媒HHが、主触媒層30Bに接する面側から、電解質膜10に接する面側へ進むにつれて、少なくなるように、付与(添付)されている。言い換えれば、準触媒層30Aでは、過酸化物分解触媒HHの濃度分布が、電解質膜10側の面側から、主触媒層30B側の面側へ進むにつれて高くなるように、過酸化物分解触媒HHが付与されている。主触媒層30Bは、上記主触媒層20Bと同様の構成である。このようにすれば、準触媒層30Aにおいて、特に低電圧となり過酸化物が急増すると考えられる主触媒層30B側付近において、過酸化物を分解することができる。その結果、準触媒層30Aが細ることを抑制することができると共に、電解質膜10が過酸化物により分解され、劣化することを抑制することができる。それに加えて、準触媒層30Aにおいて、過酸化物分解触媒HHの付与量を、過酸化物の増加率が小さい電解質膜10側で抑制しているので、燃料電池100Aの電池性能の低下を抑制することもできる。なお、準触媒層30Aは、請求項における準触媒層に該当し、主触媒層30Bは、請求項における主触媒層に該当し、アノード30は、請求項における触媒電極層に該当する。
Specifically, the
B2.変形例2:
上記実施例の燃料電池100では、カソード側のみに準触媒層が形成されているが、本発明は、これに限られるものではなく、カソード側に加え、上記変形例1のごとく、アノード側にも準触媒層を形成するようにしてもよい。このようにすれば、上記実施例の効果に加え、上記変形例1の効果も奏することができる。
B2. Modification 2:
In the
B3.変形例3:
上記実施例の燃料電池100では、電解質膜10を、フッ素系樹脂によって形成するようにしているが、本発明は、これに限られるものではなく、炭化水素系樹脂によって形成してもよい。また、上記実施例の燃料電池100では、準触媒層20Aや主触媒層20Bにおける電解質は、フッ素系の電解質を用いることとしているが、本発明はこれに限られるものはなく、炭化水素系の電解質を用いるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。
B3. Modification 3:
In the
B4.変形例4:
上記実施例では、上記準触媒層20Aを設ける燃料電池として、固体高分子型燃料電池を用いているが、本発明はこれに限られるものではなく、準触媒層20Aを他の種類の燃料電池に設けるようにしてもよい。
B4. Modification 4:
In the above embodiment, the polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell provided with the
10...電解質膜
20...カソード
20A...準触媒層
20B...主触媒層
30...アノード
30A...準触媒層
30B...主触媒層
50...膜電極接合体
100...燃料電池
100A...燃料電池
PC...白金担持カーボン
HH...過酸化物分解触媒
AO...電解質
DESCRIPTION OF
Claims (6)
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面上に形成され、担体に触媒を担持させた触媒担持担体、電解質、および、過酸化物を分解する過酸化物分解触媒を含み、前記電解質の質量を前記担体の質量で除した電解質/担体比が、所定値以上である準触媒層と、前記触媒担持担体、および、前記電解質を含み、前記準触媒層上に形成され、前記電解質/担体比が、前記所定値より小さい主触媒層と、を有する触媒電極層と、
を備え、
前記準触媒層は、
前記過酸化物分解触媒を、電気化学反応が生じた場合における高電位である面側より、低電位である面側に多く含有することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte membrane;
A catalyst-carrying support formed on one surface of the electrolyte membrane and having a catalyst supported on the support; an electrolyte; and a peroxide-decomposing catalyst for decomposing a peroxide; the mass of the electrolyte being the mass of the support The quasi-catalyst layer having an electrolyte / support ratio divided by a value equal to or greater than a predetermined value, the catalyst-supporting support, and the electrolyte, and formed on the quasi-catalyst layer, wherein the electrolyte / support ratio is the predetermined value A catalyst electrode layer having a smaller main catalyst layer;
With
The quasi-catalyst layer is
A fuel cell comprising a larger amount of the peroxide decomposition catalyst on a surface side having a low potential than on a surface side having a high potential when an electrochemical reaction occurs.
前記触媒電極層は、
カソードであり、
前記準触媒層は、
前記過酸化物分解触媒を、前記高電位である面側であって前記主触媒層に接する面側より、前記低電位である面側であって前記電解質膜に接する面側に多く含有することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The catalyst electrode layer is
The cathode,
The quasi-catalyst layer is
The peroxide decomposition catalyst is contained in a larger amount on the surface side at the low potential and on the surface side in contact with the electrolyte membrane than on the surface side at the high potential side and in contact with the main catalyst layer. A fuel cell.
前記準触媒層は、
前記過酸化物分解触媒を、前記高電位である面側から、前記低電位である面側に進むにつれて、多く含有することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The quasi-catalyst layer is
A fuel cell comprising a large amount of the peroxide decomposition catalyst as it proceeds from the high potential surface side to the low potential surface side.
前記所定値は、1.5〜2の範囲の数値であることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell according to claim 1, wherein the predetermined value is a numerical value in a range of 1.5 to 2.
前記過酸化物分解触媒は、
下記A群のうちのいずれか、下記A群のうちのいずれかの酸化物、または、下記A群のうち2つ以上を含む合金であることを特徴とする燃料電池。
A群:Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ce The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The peroxide decomposition catalyst is
A fuel cell comprising any one of the following group A, an oxide of any one of the following group A, or an alloy containing two or more of the following group A.
Group A: Pd, Ir, C, Ag, Au, Rh, Ru, Sn, Si, Ti, Zr, Al, Hf, Ce
前記過酸化物分解触媒は、
WO3、Fe3O4、CePO4、CrPO4、AlPO4、FePO4、CeF3、Fe−ポルフィン、Co−ポルフィン、ヘム、カタラーゼ、のいずれかであることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The peroxide decomposition catalyst is
A fuel cell comprising any one of WO 3 , Fe 3 O 4 , CePO 4 , CrPO 4 , AlPO 4 , FePO 4 , CeF 3 , Fe-porphine, Co-porphine, heme, and catalase.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014053142A (en) * | 2012-09-06 | 2014-03-20 | Toppan Printing Co Ltd | Electrode catalyst layer for fuel cell and method for manufacturing the same, membrane electrode assembly for fuel cell and method for manufacturing the same, and solid polymer fuel cell |
JP2020533756A (en) * | 2017-09-29 | 2020-11-19 | コーロン インダストリーズ インク | Radical scavenger, its manufacturing method, membrane-electrode assembly containing it, and fuel cell containing it |
-
2008
- 2008-03-24 JP JP2008075721A patent/JP2009231081A/en active Pending
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