JP2009283350A - Power generator and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを設け、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを供給して、電気化学反応により起電力を得る燃料電池がある。このような燃料電池において、一般に、固体高分子電解質膜と、アノードと、カソードと、を接合した膜−電極接合体(以下、「MEA」ともいう。)が用いられる。 There is a fuel cell in which an anode and a cathode are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen are supplied to obtain an electromotive force by an electrochemical reaction. In such a fuel cell, a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) in which a solid polymer electrolyte membrane, an anode, and a cathode are joined is generally used.
アノード、およびカソードは、電気化学反応が行なわれる触媒層と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを、拡散させて触媒層に供給するガス拡散層と、を備える。触媒層は、主に、触媒と、触媒を担持する担体と、プロトン伝導性固体高分子材料(以下、「アイオノマー」ともいう。)から成る。触媒としては、白金や、白金合金等が用いられ、担体としては、カーボンブラック等のカーボン微粒子が用いられることが多い。 The anode and the cathode include a catalyst layer in which an electrochemical reaction is performed, and a gas diffusion layer in which fuel gas and oxidant gas are diffused and supplied to the catalyst layer. The catalyst layer is mainly composed of a catalyst, a carrier supporting the catalyst, and a proton conductive solid polymer material (hereinafter also referred to as “ionomer”). As the catalyst, platinum, platinum alloy or the like is used, and as the carrier, carbon fine particles such as carbon black are often used.
燃料電池の運転中は、カソード触媒層に、例えば、1V程度の電位が生じるため、触媒(例えば、白金)がイオンになる。電解質膜は触媒を含まないため、触媒の濃度勾配により、触媒のイオンが、カソード触媒層に含まれるアイオノマー中を移動して、電解質膜に到達する。このように、カソード触媒層から電解質膜に、触媒が溶出すると、カソード触媒層に含まれる触媒の量が減少するため、カソード触媒層における電気化学反応が抑制され、発電性能が低下するおそれがある。このような問題に対して、触媒層から電解質膜への触媒の溶出を抑制する技術が提案されている(例えば、特許文献1ないし3参照。) During operation of the fuel cell, for example, a potential of about 1 V is generated in the cathode catalyst layer, so that the catalyst (for example, platinum) becomes ions. Since the electrolyte membrane does not contain a catalyst, catalyst ions move through the ionomer contained in the cathode catalyst layer and reach the electrolyte membrane due to the concentration gradient of the catalyst. As described above, when the catalyst is eluted from the cathode catalyst layer to the electrolyte membrane, the amount of the catalyst contained in the cathode catalyst layer is reduced, so that the electrochemical reaction in the cathode catalyst layer is suppressed and the power generation performance may be reduced. . In order to solve such a problem, a technique for suppressing elution of the catalyst from the catalyst layer to the electrolyte membrane has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
例えば、特許文献1に記載の燃料電池では、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との間に、緩衝層を備える構成を成す。緩衝層は、主に、触媒と、触媒を担持する担体と、アイオノマーとから成り、緩衝層を備えることにより、カソード触媒層から固体高分子電解質膜への、触媒の溶出を抑制している。 For example, the fuel cell described in Patent Document 1 is configured to include a buffer layer between the cathode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. The buffer layer mainly includes a catalyst, a carrier supporting the catalyst, and an ionomer. By providing the buffer layer, elution of the catalyst from the cathode catalyst layer to the solid polymer electrolyte membrane is suppressed.
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池において、緩衝層は、触媒を含むため、緩衝層において、電気化学反応が生じる。また、緩衝層は、カソード触媒層に比べて、アイオノマーを多く含むため含水し易い傾向にあるため、固体高分子電解質膜から移動してくる水や、電気化学反応によって生成される水により、フラッディングが生じやすく、発電性能が低下するおそれがあった。 However, in the fuel cell described in Patent Document 1, since the buffer layer contains a catalyst, an electrochemical reaction occurs in the buffer layer. In addition, since the buffer layer contains more ionomer than the cathode catalyst layer, it tends to be water-containing, so flooding is caused by water moving from the solid polymer electrolyte membrane or water generated by an electrochemical reaction. There was a risk that the power generation performance would be reduced.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、固体高分子型燃料電池において、発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the technique which suppresses the fall of electric power generation performance in a polymer electrolyte fuel cell.
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] 発電体であって、
プロトン伝導性を有する第1の固体高分子材料から成る、固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される、アノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面側に配置され、触媒と、第1の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第2の固体高分子材料と、を含む、カソード触媒層と、
触媒を含まず、第2の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第3の固体高分子材料と、を含み、前記固体高分子電解質膜と前記カソード触媒層との間に配置される、中間層と、
を備え、
前記中間層に含まれる、前記第2の炭素材料に対する前記第3の固体高分子材料の重量比率が、前記カソード触媒層に含まれる、前記第1の炭素材料に対する前記第2の固体高分子材料の重量比率よりも高い、発電体。
[Application Example 1] A power generator,
A solid polymer electrolyte membrane comprising a first solid polymer material having proton conductivity;
An anode catalyst layer disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer disposed on the other surface side of the solid polymer electrolyte membrane, comprising a catalyst, a first carbon material, and a second solid polymer material having proton conductivity;
An intermediate layer that does not include a catalyst, includes a second carbon material, and a third solid polymer material having proton conductivity, and is disposed between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer When,
With
The second solid polymer material relative to the first carbon material included in the cathode catalyst layer is a weight ratio of the third solid polymer material relative to the second carbon material included in the intermediate layer. The power generator is higher than the weight ratio.
この構成によれば、中間層が第2の炭素材料を備えるため、カソード触媒層から触媒が溶出するのを抑制することができる。また、中間層は、触媒を含まないため、中間層において、電気化学反応は起こりにくく、中間層におけるフラッディングを抑制することができる。さらに、中間層に含まれる、第2の炭素材料に対する第3の固体高分子材料の重量比率が、カソード触媒層に含まれる、第1の炭素材料に対する第2の固体高分子材料の重量比率よりも高いため、中間層によってプロトンの移動が妨げられ難い。したがって、発電性能の低下を抑制することができる。 According to this configuration, since the intermediate layer includes the second carbon material, it is possible to suppress the catalyst from eluting from the cathode catalyst layer. Further, since the intermediate layer does not contain a catalyst, an electrochemical reaction hardly occurs in the intermediate layer, and flooding in the intermediate layer can be suppressed. Further, the weight ratio of the third solid polymer material to the second carbon material contained in the intermediate layer is greater than the weight ratio of the second solid polymer material to the first carbon material contained in the cathode catalyst layer. Therefore, it is difficult for the intermediate layer to prevent proton movement. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance.
[適用例2] 適用例1に記載の発電体において、
前記中間層は、2μm以上の厚みを有する、発電体。
[Application Example 2] In the power generator according to Application Example 1,
The intermediate layer has a thickness of 2 μm or more.
このようにすると、燃料電池の運転による発電性能の低下を、より抑制することができる。 If it does in this way, the fall of the power generation performance by the driving | operation of a fuel cell can be suppressed more.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、発電体を備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell including a power generator, a fuel cell system including the fuel cell, a moving body equipped with the fuel cell system, and the like. can do.
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.実施例:
A1.燃料電池の構成:
A1−1.シール部材一体型MEAの構成:
A1−1−1.電解質膜:
A1−1−2.カソード触媒層およびアノード触媒層:
A1−1−3.中間層:
A1−1−4.アノード側拡散層およびカソード側拡散層:
A1−1−5.シール部材:
A1―2.アノード側多孔体およびカソード側多孔体の構成:
A2.実施例の効果:
B.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Example:
A1. Fuel cell configuration:
A1-1. Structure of seal member integrated MEA:
A1-1-1. Electrolyte membrane:
A1-1-2. Cathode catalyst layer and anode catalyst layer:
A1-1-3. Middle layer:
A1-1-4. Anode side diffusion layer and cathode side diffusion layer:
A1-1-5. Seal member:
A1-2. Composition of anode side porous body and cathode side porous body:
A2. Effects of the embodiment:
B. Variations:
A.実施例:
A1.燃料電池の構成:
図1は、本発明の第1の実施例としての燃料電池100の断面構成を概略的に示す断面図である。図1では、後述する図2におけるA−A切断面を示している。燃料電池100は、水素と空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。
A. Example:
A1. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration of a
燃料電池100は、図1に示すように、シール部材一体型MEA(Membrane‐Electrode Assembly:膜電極接合体)200のアノード側に、アノード側多孔体410と、アノード側セパレータ310が、その順に積層され、カソード側に、カソード側多孔体430とカソード側セパレータ330が、その順に積層された構成を成している。図1では、複数のシール部材一体型MEA200、アノード側多孔体410、アノード側セパレータ310、カソード側多孔体430、およびカソード側セパレータ330が積層された部分の一部を抜き出して示しており、他は図示を省略している。以下、アノード側セパレータ310とカソード側セパレータ330とを、まとめて、セパレータ310、330ともいう。
As shown in FIG. 1, in the
なお、冷却水を流すための冷却水流路が形成された冷却水セパレータが、所定の間隔で、アノード側セパレータ310とカソード側セパレータ330との間に配設されている(図示しない)。冷却水セパレータ内部を冷却水が流通することにより、燃料電池100の電極反応に伴って生成される熱を取り除き、燃料電池100の内部温度を所定の範囲内に保っている。
A cooling water separator in which a cooling water channel for flowing cooling water is formed is disposed between the
アノード側セパレータ310には、アノード側多孔体410と対向する面に複数の凹凸状のリブ312が形成されている。同様に、カソード側セパレータ330には、カソード側多孔体430と対向する面に複数の凹凸状のリブ332が形成されている。セパレータ310、320が、MEA210を両側から挟み込むことによって、アノードガスとしての水素、カソードガスとしての空気が流れる流路が、それぞれ、形成される。
The anode-
燃料電池100に供給された空気は、カソードガス供給マニホールド(図示しない)を通り、カソード側セパレータ330のリブ332によって形成される流路を通って、カソード側多孔体430に流入し、カソード側多孔体430内を流通しつつ、MEA210に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった空気を含むカソード排ガスは、カソード排ガス排出マニホールド(図示しない)に排出され、カソード排ガス排出マニホールド(図示しない)を通って燃料電池100外へ排出される。
The air supplied to the
同様に、燃料電池100に供給された水素は、燃料電池100内を流通して電極反応に利用され、電極反応に利用されなかった水素を含むアノード排ガスは、燃料電池100外へ排出される。
Similarly, the hydrogen supplied to the
なお、本実施例において、アノード側セパレータ310、330はステンレス鋼製の平板を用いるものとするが、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよいし、カーボン製の平板を用いるものとしてもよい。
In this embodiment, the anode-
また、本実施例において、MEA210とセパレータ310、330との間に、アノード側多孔体410、カソード側多孔体430が、それぞれ、配置される構成を例示しているが、アノード側多孔体410、カソード側多孔体430を備えない構成、すなわち、MEA210とセパレータ310、330とが当接する構成にしてもよい。
Further, in this embodiment, the anode side
A1−1.シール部材一体型MEAの構成:
図2は、シール部材一体型MEA200の平面構成を示す平面図である。図2に示すように、シール部材一体型MEA200は、外形が略正方形状のMEA210の外周に、枠状のシール部材220が、MEA210と一体的に形成されて成る。
A1-1. Structure of seal member integrated MEA:
FIG. 2 is a plan view showing a planar configuration of the seal member integrated
図3は、図1におけるX1部を拡大して示す拡大断面図である。図3に示すように、MEA210は、電解質膜212の一方の面にアノード触媒層214、アノード側拡散層215の順に積層され、他方の面に、中間層218、カソード触媒層216、カソード側拡散層217の順に積層されて成る。本実施例におけるMEA210が、請求項における発電体に、電解質膜212が請求項における固体高分子電解質膜に、アノード触媒層214が請求項におけるアノード触媒層に、カソード触媒層216が請求項におけるカソード触媒層に、中間層218が請求項における中間層に、それぞれ、相当する。
3 is an enlarged cross-sectional view showing an X1 portion in FIG. As shown in FIG. 3, the
A1−1−1.電解質膜:
本実施例において、電解質膜212としては、プロトン伝導性の固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜(Nafion(登録商標))を、用いている。なお、高分子電解質膜としては、Nafion(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス(登録商標)、フレミオン(登録商標)等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いてもよい。また、例えば、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いてもよい。また、PTFE、ポリイミド等の補強材を含む、機械的特性を強化した複合高分子膜を用いてもよい。
A1-1-1. Electrolyte membrane:
In this embodiment, as the
A1−1−2.カソード触媒層およびアノード触媒層:
図4は、本実施例の燃料電池100におけるカソード触媒層および中間層の構成を説明するための説明図である。図4では、電解質膜212、中間層218、カソード触媒層216の断面構成を拡大して、概念的に示している。
A1-1-2. Cathode catalyst layer and anode catalyst layer:
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the cathode catalyst layer and the intermediate layer in the
図4(a)は、カソード触媒層216および中間層218の初期状態を示している。図示すように、カソード触媒層216は、触媒としての白金Pが担持されたカーボンブラックCを、プロトン伝導性を有する高分子材料である、アイオノマーIで被覆して成る。本実施例において、カーボンブラックCとして、Ketjen(登録商標)を用い、アイオノマーIとして、電解質膜212と同様に、Nafion(登録商標)を用いている。カソード触媒層216において、アイオノマーI:カーボンブラックC=0.75:1(重量比)である。アノード触媒層214は、カソード触媒層216と同一の構成を成す。
FIG. 4A shows the initial state of the
なお、本実施例において、触媒として白金を用いているが、その他、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等の種々の金属を用いることができる。また、これらの2種類以上を組み合わせた合金も、用いることができる。 In this example, platinum is used as the catalyst, but various other metals such as rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold, silver, nickel, cobalt, lithium, lanthanum, strontium, yttrium, etc. Can be used. An alloy in which two or more of these are combined can also be used.
また、本実施例において、触媒担体としてのカーボンブラックCは、Ketjen (登録商標)を用いているが、異なるカーボンブラックを用いてもよい。例えば、バルカンXC−72(商品名)、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック等を用いてもよい。また、カーボンブラックに限定されず、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)等、種々の炭素材料を用いることができる。 In this embodiment, Ketjen (registered trademark) is used as the carbon black C as the catalyst carrier, but a different carbon black may be used. For example, Vulcan XC-72 (trade name), acetylene black, channel black, thermal black, furnace black, or the like may be used. Moreover, it is not limited to carbon black, and various carbon materials such as natural graphite powder, artificial graphite powder, mesocarbon microbeads (MCMB), and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) can be used.
本実施例における白金Pが、請求項における触媒に、カソード触媒層216に含まれるカーボンブラックCが、請求項における第1の炭素材料に、カソード触媒層216に含まれるアイオノマーIが、請求項における第2の固体高分子材料に、それぞれ、相当する。
The platinum P in this example is the catalyst in the claims, the carbon black C contained in the
A1−1−3.中間層:
図4(a)に示すように、中間層218は、カーボンブラックCを、プロトン伝導性を有するアイオノマーIで被覆して成る。本実施例において、カーボンブラックCとして、カソード触媒層216と同様に、Ketjen(登録商標)を用い、アイオノマーIとして、カソード触媒層216と同様に、Nafion(登録商標)を用いている。中間層218は、電解質膜212とカソード触媒層216との間に配置され、後述するように、カソード触媒層216から電解質膜212への白金Pの溶出を抑制する機能を果たす。本実施例における中間層218に含まれるカーボンブラックCが、請求項における第2の炭素材料に、中間層218に含まれるアイオノマーIが、請求項における第3の固体高分子材料に、それぞれ、相当する。
A1-1-3. Middle layer:
As shown in FIG. 4A, the
なお、中間層218において、アイオノマーI:カーボンブラックC=2:1(重量比)である。すなわち、中間層218におけるカーボンブラックCに対するアイオノマーIの重量比率は、カソード触媒層216よりも高い。このように、アイオノマーIの比率を高くすると、中間層218中をプロトン(H+)が移動しやすくなるため、中間層218を設けることによる発電性能の低下を抑制することができると考えられる。
In the
図5は、本実施例の燃料電池100おける初期性能(IV特性)を、比較例1、2と共に示す図である。図5では、各燃料電池を用いて、所定の低加湿条件にて測定された初期性能を示している。
FIG. 5 is a diagram showing the initial performance (IV characteristics) of the
比較例1の燃料電池は、中間層の組成が異なる以外は、本実施例の燃料電池100と同様の構成を成す。比較例1の燃料電池における中間層は、本実施例における燃料電池100の中間層218と同様に、カーボンブラックC(Ketjen(登録商標))を、アイオノマーI(Nafion(登録商標))で被覆して成り、その重量比率が、アイオノマーI:カーボンブラックC=0.75:1である。
The fuel cell of Comparative Example 1 has the same configuration as the
比較例2の燃料電池が、本実施例の燃料電池100と異なる点は、中間層218を備えていない点であり、それ以外の構成は、本実施例の燃料電池100と同様の構成を成す。すなわち、比較例2の燃料電池は、従来の燃料電池と同じ構成を成す。
The fuel cell of the comparative example 2 is different from the
図示するように、本実施例の燃料電池100は、比較例2の燃料電池と、ほぼ同等の初期性能を示すのに対し、比較例1の燃料電池は、比較例2の燃料電池よりも初期性能が悪い。これは、本実施例の燃料電池100では、比較例1の燃料電池に比べて、中間層におけるアイオノマーIのカーボンブラックCに対する重量比率が高い(すなわち、アイオノマーIの含有率が高い)ため、プロトン(H+)が移動しやすいためと考えられる。
As shown in the figure, the
上記したように、本実施例の燃料電池100におけるカソード触媒層216は、アイオノマーI:カーボンブラックC=0.75:1(重量比)である。すなわち、比較例1の燃料電池における中間層は、アイオノマーIとカーボンブラックCの重量比率が、カソード触媒層216と同じである。一方、本実施例の燃料電池100の中間層218におけるアイオノマーIのカーボンブラックCに対する重量比率は、カソード触媒層216よりも高い。すなわち、中間層におけるアイオノマーIのカーボンブラックCに対する重量比率が、カソード触媒層216よりも高い場合には、プロトン(H+)の移動を妨げず、燃料電池の初期性能を維持できると考えられる。
As described above, the
なお、本実施例において、中間層218におけるカーボンブラックCに対するアイオノマーIの重量比率は、2であるが、この比率は、2に限定されず、カソード触媒層216における重量比率よりも高く、白金P(触媒)の溶出を抑制可能な程度であればよい。
In this example, the weight ratio of the ionomer I to the carbon black C in the
A1−1−4.アノード側拡散層およびカソード側拡散層:
アノード側拡散層215およびカソード側拡散層217としては、撥水加工が施されたカーボンフェルトを用いている。例えば、カーボンとテフロン(登録商標)を混合させた混合液を、カーボンフェルトに含浸させることにより、撥水加工を施すことができる。なお、アノード側拡散層215のアノード触媒層214と接触する接触面、カソード側拡散層217のカソード触媒層216と接触する接触面のみに、撥水加工を施しても良いし、アノード側拡散層215、カソード側拡散層217の全体に撥水加工を施しても良い。また、本実施例では、排水性を高めるために、アノード側拡散層215、カソード側拡散層217に撥水加工を施しているが、撥水加工が施されていない構成にしてもよい。
A1-1-4. Anode side diffusion layer and cathode side diffusion layer:
As the anode
A1−1−5.シール部材:
シール部材220は、シリコーンゴムを用いて射出成型により形成されている。シール部材220を成形する際には、シリコーンゴムを、アノード触媒層214、カソード触媒層216、中間層218、アノード側拡散層215、およびカソード側拡散層217それぞれの内部の空隙に含浸させ、いわゆるアンカー効果によりシール部材220と、MEA210とを結合している。
A1-1-5. Seal member:
The
図2に示すように、シール部材220には、カソードガス供給用貫通孔106s、カソード排ガス排出用貫通孔108s、アノードガス供給用貫通孔102s、アノード排ガス排出用貫通孔104s、冷却水供給用貫通孔110s、冷却水排出用貫通孔112sが、それぞれ1つずつ、形成されている。そして、反応ガスの漏洩を防止するためのシールラインSLが形成されている。各貫通孔は、セパレータ310、330に形成された貫通孔と共に、反応ガスおよび冷却水を給排するためのマニホールドを構成する。
As shown in FIG. 2, the
A1―2.アノード側多孔体およびカソード側多孔体の構成:
アノード側多孔体410およびカソード側多孔体430は、図1に示すように、外形は、シール部材一体型MEA200のシール部材220の内枠と略一致する、平面略長方形状を成す、金属多孔体である。本実施例において、アノード側多孔体410、カソード側多孔体430として、耐食性を有するステンレス鋼製のエキスパンドメタルを用いている。アノード側多孔体410およびカソード側多孔体430としては、エキスパンドメタルに限定されず、ステンレス鋼の粉末を用いて、スラリー発泡法で作成された金属多孔体、パンチングメタル、炭素製の多孔体等、導電性を有する種々の多孔体を用いることができる。本実施例におけるアノード側多孔体410、カソード側多孔体430が、請求項における反応ガス流路形成部に相当する。
A1-2. Composition of anode side porous body and cathode side porous body:
As shown in FIG. 1, the anode side
A2.実施例の効果:
本実施例の燃料電池100の効果について、図5に示す初期性能の測定に用いた、比較例2の燃料電池と対比して説明する。比較例2の燃料電池は、中間層218を備えていない燃料電池である(すなわち、従来の燃料電池と同様の構成)。
A2. Effects of the embodiment:
The effect of the
図8は、比較例2の燃料電池におけるカソード触媒層の初期状態と運転時の状態を概念的に示す説明図である。図8では、電解質膜212、カソード触媒層216の断面構成を拡大して、概念的に示している。比較例2の燃料電池におけるカソード触媒層216は、本実施例におけるカソード触媒層216と同様に、触媒としての白金Pが担持されたカーボンブラックC(Ketjen(登録商標))を、アイオノマーI(Nafion(登録商標))で被覆して成る。すなわち、白金Pは、カソード触媒層216内に在り、カーボンブラックCに担持されている(図8(a))。そして、電解質膜212は、白金Pを有しない。
FIG. 8 is an explanatory diagram conceptually showing the initial state and the operating state of the cathode catalyst layer in the fuel cell of Comparative Example 2. In FIG. 8, the cross-sectional structures of the
図8(b)は、比較例2の燃料電池の運転時におけるカソード触媒層216の状態を示している。燃料電池100の運転中、カソード触媒層216には、例えば、1V程度の電位がかかる。そうすると、カソード触媒層216中のカーボンブラックCに担持されている白金Pの一部が、白金イオン(Pt2+)になる。電解質膜212は、白金を含まないため、濃度勾配により、カソード触媒層216中の白金イオン(Pt2+)は、カソード触媒層216中のアイオノマーI内を移動して、電解質膜212に溶出する。
FIG. 8B shows the state of the
電解質膜212は、アイオノマーI(Nafion(登録商標))から成り、カーボンブラックCを含まないため、白金イオンが移動し易い。特に、カソード触媒層216において、電解質膜212との境界近傍の白金Pは溶出し易い。そうすると、図8(b)に示すように、カソード触媒層216において、電解質膜212との境界近傍は、白金Pの含有量が少なくなる。
Since the
図9は、比較例2の燃料電池におけるIV特性を示す図である。図9では、耐久試験前後のIV特性を比較して示している。図9に示すIV特性は、比較例2の燃料電池の初期特性と、所定の耐久試験を実施した後の、IV特性を示している。なお、図8に示すIV特性は、セル温度80℃、アノード側露点45℃、カソード側露点55℃という、低加湿条件にて測定している。図示するように、耐久試験後の燃料電池は、耐久試験前(初期状態)に比べて、発電性能が低下している。 FIG. 9 is a diagram showing IV characteristics in the fuel cell of Comparative Example 2. FIG. 9 shows a comparison of IV characteristics before and after the durability test. The IV characteristics shown in FIG. 9 indicate the initial characteristics of the fuel cell of Comparative Example 2 and the IV characteristics after performing a predetermined durability test. The IV characteristics shown in FIG. 8 are measured under low humidification conditions of a cell temperature of 80 ° C., an anode side dew point of 45 ° C., and a cathode side dew point of 55 ° C. As shown in the drawing, the power generation performance of the fuel cell after the durability test is lower than that before the durability test (initial state).
前記条件では、カソード触媒層216における電気化学反応は、主に、電解質膜212との境界近傍で起きると考えられる。上記したように、比較例2の燃料電池では、燃料電池を運転すると、カソード触媒層216において、電解質膜212との境界近傍の白金Pの含有量が少なくなるため、発電効率が低下すると考えられる。
Under the above conditions, the electrochemical reaction in the
次に、本実施例の燃料電池100について説明する。図4(a)に示すように、初期状態において、カソード触媒層216は、上記したように、触媒としての白金Pが担持されたカーボンブラックCを、アイオノマーIで被覆して成る。すなわち、白金Pは、カソード触媒層216内に在り、カーボンブラックCに担持されている。そして、中間層218および電解質膜212は、白金Pを有しない。
Next, the
図4(b)は、燃料電池100の運転時におけるカソード触媒層216および中間層218の状態を示している。
FIG. 4B shows the state of the
燃料電池100の運転中、カソード触媒層216には、比較例2の場合と同様に、例えば、1V程度の電位がかかる。そうすると、カソード触媒層216中のカーボンブラックCに担持されている白金Pの一部が、白金イオン(Pt2+)になる。中間層218は、白金を含まないため、濃度勾配により、カソード触媒層216中の白金イオン(Pt2+)は、カソード触媒層216中のアイオノマーI内を移動して、中間層218に移動しようとする。しかしながら、カーボンブラックCを含むアイオノマーIから成る中間層218は、電解質膜212と比較して、単位面積あたりのスルホン酸基が少なく、すなわち、白金イオン(Pt2+)が移動する為のパス(白金イオン移動パス)が少ないため、中間層218には、白金イオン(Pt2+)は、移動しにくいと考えられる。したがって、触媒としての白金Pのカソード触媒層216から電解質膜212への溶出を、抑制することができる。
During the operation of the
また、燃料電池100の運転中、アノード触媒層214で、イオン化されたH+(プロトン)が、電解質膜212を通過して、中間層218に到達し、中間層218に含まれるアイオノマーI中を移動して、カソード触媒層216に到達する。そして、カソード触媒層216では、供給された酸素(O2)と、アノード側から移動してきたプロトン(H+)と、セパレータ310、330を介して供給される電子(e-)と、により、水(H2O)が生成される。なお、中間層218は、カーボンブラックCを含むものの、アイオノマーIの含有率(カーボンブラックCに対するアイオノマーIの重量比率)が、カソード触媒層216よりも高いため、プロトン(H+)の移動は阻害されにくい。
Further, during the operation of the
図6は、本実施例の燃料電池100における電解質膜212に移動した白金Pの量を、比較例2の燃料電池と比較して示す図である。図6では、比較例2の燃料電池における電解質膜212中の白金Pの量を1として、示している。本実施例の燃料電池100と、比較例2の燃料電池と、を同じ耐久条件の下で運転した後、電解質膜を燃焼して、王水(濃塩酸と濃硝酸とを3:1の体積比で混合したもの)に溶かして、ICP−MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer:誘導結合プラズマ質量分析計)で定量分析した結果を示している。
FIG. 6 is a diagram showing the amount of platinum P transferred to the
図示するように、本実施例の燃料電池100の電解質膜212に含まれる白金Pの量は、比較例2の燃料電池の電解質膜に含まれる白金の量よりも少ない。すなわち、本実施例の燃料電池100によれば、カソード触媒層216から電解質膜212への白金Pの溶出を抑制することができる。
As shown in the drawing, the amount of platinum P contained in the
図7は、耐久試験後の本実施例の燃料電池100と比較例2の燃料電池におけるIV特性を示す図である。図7に示すIV特性は、所定の耐久試験を実施した後の各燃料電池を用いて、セル温度80℃、アノード側露点45℃、カソード側露点55℃という、低加湿条件にて測定している。図示するように、本実施例の燃料電池100は、比較例2の燃料電池に対して、発電性能が向上している。
FIG. 7 is a diagram showing IV characteristics in the
以上説明したように、本実施例の燃料電池100によれば、中間層218を備えることにより、カソード触媒層216から電解質膜212への白金Pの溶出を抑制している。また、中間層218におけるカーボンブラックCに対するアイオノマーIの重量比率を、カソード触媒層216よりも高くすることによって、アノード触媒層214からカソード触媒層216へのプロトン(H+)の移動が妨げられないようにしている。これによって、燃料電池の運転に伴う発電性能の低下を抑制することができる。
As described above, according to the
また、本実施例の燃料電池100では、中間層218は、触媒としての白金Pを含まない。そのため、中間層218では、電気化学反応が起こらず、水が生成されないため、中間層218において、フラッディングは、生じにくい。したがって、例えば、上記した特許文献1に記載の燃料電池と比較して、フラッディングによる発電性能の低下を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施例における燃料電池100では、特に、低加湿条件(例えば、アノード側露点45℃、カソード側露点55℃)にて運転する場合に、特に、発電性能の低下の抑制に効果的である。低加湿条件下では、アイオノマーI中をプロトン(H+)が移動しにくい。そのため、プロトン(H+)は、カソード触媒層216のカソード側拡散層217側までは、到達し難い。したがって、カソード触媒層216において、電解質膜212近傍の白金Pが溶出すると、著しく発電性能が低下する。そのため、中間層218により、白金Pの溶出を抑制すると、発電性能の低下の抑制に効果的である。
In addition, the
B.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。
B. 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.
(1)上記実施例において、中間層218は、電解質膜212とカソード触媒層216との間にのみ設けられているが、電解質膜212とアノード触媒層214との間にも設けてもよい。通常、アノード触媒層214は、電位が0Vであるため、触媒としての白金Pがイオン化されないため、触媒の電解質膜212への溶出は起こりにくい。しかしながら、例えば、燃料電池100の運転停止後に、不要な発電がなされないように、アノードガスとカソードガスとを入れ替えて、燃料電池100に供給する場合がある。そのような場合には、アノード触媒層214側に、電位がかかるため、触媒が溶出するおそれがある。このような場合に、電解質膜212とアノード触媒層214との間にも中間層218を設けることにより、触媒の電解質膜212への溶出を抑制することができる。
(1) In the above embodiment, the
(2)上記実施例において、電解質膜212、カソード触媒層216、中間層218において、同一のアイオノマーI(フッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜(Nafion(登録商標)))を用いているが、各層ごとに、異なるアイオノマー(プロトン伝導性を有する固体高分子材料)を用いてもよい。
(2) In the above embodiment, the same ionomer I (polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark)) formed of a fluorosulfonic acid polymer) is used in the
また、上記実施例では、カソード触媒層216および中間層218において、同一のカーボンブラックC(Ketjen (登録商標))を用いているが、異なるカーボンブラックを用いてもよい。また、例えば、カーボンブラック、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)等の中から異なる炭素材料を用いてもよい。すなわち、カソード触媒層216および中間層218において、同一の炭素材料を用いてもよいし、異なる炭素材料を用いてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, the same carbon black C (Ketjen (registered trademark)) is used in the
(3)上記実施例において、厚さ2μmの中間層218を例示したが、中間層218の厚さは、2μmに限定されない。図10は、中間層の厚さに対する電圧低下率を示す図である。電圧低下率とは、初期状態に対する、耐久試験後の発電電圧である。図示するように、中間層の厚さが2μm以上の場合に、電圧低下が抑制される。但し、中間層が、厚すぎると、プロトン伝導性が阻害されるため、発電性能が低下するおそれがある。そのため、6μm以下、さらに、4μm以下が好ましい。
(3) In the above embodiment, the
(4)上記実施例において、セパレータとして、平面に溝状の反応ガス流路が形成されるものを示したが、セパレータの構成は、上記実施例に限定されない。例えば、アノード側多孔体410と当接するアノード対向プレートと、カソード側多孔体430と当接するカソード対向プレートと、カソード対向プレートおよびアノード対向プレートに狭持された中間プレートと、が積層された3層構造を有し、平面は平滑面で、溝が形成されない構成のものでもよい。
(4) In the above-described embodiment, a separator having a groove-like reaction gas channel formed on a plane has been shown. However, the configuration of the separator is not limited to the above-described embodiment. For example, three layers in which an anode facing plate that contacts the anode side
3層構造のセパレータとしては、例えば、各プレートの周縁部には、反応ガスおよび冷却水を給排するマニホールドを形成する、貫通孔が形成される。アノード対向プレートには、アノードガスをアノード側多孔体410に供給するための供給口が形成され、同様にカソード対向プレートには、カソードガスをカソード側多孔体430に供給するための供給口が形成される。中間プレートには、上記した供給口と、各マニホールドを繋ぐための貫通孔が形成されている。3つのプレートを重ねることによって、マニホールドを流通するアノードガスおよびカソードガスを、アノード側多孔体410およびカソード側多孔体430にそれぞれ供給する流路が形成される。
As a separator having a three-layer structure, for example, a through hole that forms a manifold for supplying and discharging reaction gas and cooling water is formed in the peripheral portion of each plate. A supply port for supplying anode gas to the anode side
このような構成のセパレータは、例えば、アノード対向プレート、カソード対向プレート、中間プレートは、ステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。 In the separator having such a configuration, for example, the anode facing plate, the cathode facing plate, and the intermediate plate are thin plates made of stainless steel, and are manufactured by metal bonding or resin bonding. Instead of stainless steel, other metals such as titanium and aluminum may be used. In addition, since each of these plates is exposed to cooling water, it is preferable to use a metal with high corrosion resistance.
100…燃料電池
102s…アノードガス供給用貫通孔
104s…アノード排ガス排出用貫通孔
106s…カソードガス供給用貫通孔
108s…カソード排ガス排出用貫通孔
110s…冷却水供給用貫通孔
112s…冷却水排出用貫通孔
200…シール部材一体型MEA
210…MEA
212…電解質膜
214…アノード触媒層
215…アノード側拡散層
216…カソード触媒層
217…カソード側拡散層
218…中間層
220…シール部材
310…アノード側セパレータ
312、332…リブ
330…カソード側セパレータ
410…アノード側多孔体
430…カソード側多孔体
P…白金
C…カーボンブラック
I…アイオノマー
SL…シールライン
DESCRIPTION OF
210 ... MEA
DESCRIPTION OF
Claims (3)
プロトン伝導性を有する第1の固体高分子材料から成る、固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される、アノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面側に配置され、触媒と、第1の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第2の固体高分子材料と、を含む、カソード触媒層と、
触媒を含まず、第2の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第3の固体高分子材料と、を含み、前記固体高分子電解質膜と前記カソード触媒層との間に配置される、中間層と、
を備え、
前記中間層に含まれる、前記第2の炭素材料に対する前記第3の固体高分子材料の重量比率が、前記カソード触媒層に含まれる、前記第1の炭素材料に対する前記第2の固体高分子材料の重量比率よりも高い、発電体。 A power generator,
A solid polymer electrolyte membrane comprising a first solid polymer material having proton conductivity;
An anode catalyst layer disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer disposed on the other surface side of the solid polymer electrolyte membrane, comprising a catalyst, a first carbon material, and a second solid polymer material having proton conductivity;
An intermediate layer that does not include a catalyst, includes a second carbon material, and a third solid polymer material having proton conductivity, and is disposed between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer When,
With
The second solid polymer material relative to the first carbon material included in the cathode catalyst layer is a weight ratio of the third solid polymer material relative to the second carbon material included in the intermediate layer. The power generator is higher than the weight ratio.
前記中間層は、2μm以上の厚みを有する、発電体。 The power generator according to claim 1,
The intermediate layer has a thickness of 2 μm or more.
請求項1または2に記載の発電体と、
前記発電体における電気化学反応に利用される反応ガスを、前記発電体に供給する、反応ガス流路形成部と、
を備える燃料電池。 A fuel cell,
A power generator according to claim 1 or 2,
A reaction gas flow path forming section for supplying a reaction gas used for an electrochemical reaction in the power generation body to the power generation body;
A fuel cell comprising:
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-
2008
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