JP2010067389A - 直接酸化型燃料電池 - Google Patents
直接酸化型燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010067389A JP2010067389A JP2008230868A JP2008230868A JP2010067389A JP 2010067389 A JP2010067389 A JP 2010067389A JP 2008230868 A JP2008230868 A JP 2008230868A JP 2008230868 A JP2008230868 A JP 2008230868A JP 2010067389 A JP2010067389 A JP 2010067389A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cathode
- catalyst layer
- cathode catalyst
- polymer electrolyte
- amount
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 176
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 344
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 135
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 98
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 73
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 71
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 60
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 43
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 48
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 46
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 32
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 21
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 14
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 9
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 7
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 6
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 5
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 5
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 4
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 4
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 3
- 229910002848 Pt–Ru Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 3
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- HNSDLXPSAYFUHK-UHFFFAOYSA-N 1,4-bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)CC(S(O)(=O)=O)C(=O)OCC(CC)CCCC HNSDLXPSAYFUHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N aqua regia Chemical compound Cl.O[N+]([O-])=O QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000002354 inductively-coupled plasma atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011164 primary particle Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8636—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells with a gradient in another property than porosity
- H01M4/8642—Gradient in composition
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
- H01M4/8652—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites as mixture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
- H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
【解決手段】本発明の直接酸化型燃料電池は、アノードと、カソードと、それらの間に配置された電解質膜とを含む膜−電極接合体、アノードに接するアノード側セパレータ、および前記カソードに接するカソード側セパレータを備える少なくとも1つの単位セルを有する。アノード側セパレータは、アノードに燃料を供給するための燃料流路を有し、カソード側セパレータは、カソードに酸化剤を供給するための酸化剤流路を有する。前記カソードは、電解質膜に接するカソード触媒層、およびカソード側セパレータに接するカソード拡散層を含む。カソード触媒層は、カソード触媒と高分子電解質を含んでおり、カソード触媒層の燃料流路の上流部に対向する部分に含まれる記高分子電解質の量が、カソード触媒層の燃料流路の下流部に対向する部分に含まれる高分子電解質の量よりも少ない。
【選択図】図3
Description
アノード:CH3OH+H2O → CO2+6H++6e-
カソード:3/2O2+6H++6e- → 3H2O
すなわち、アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。アノードで生成されたプロトンは電解質膜を通ってカソードに到達し、電子は外部回路を経由してカソードに到達する。カソードでは、酸素、プロトンおよび外部回路を経由した電子が結合して、水が生成される。
その一つは、耐久性に関する問題である。カソード触媒層内部および/またはカソード触媒層とカソード拡散層との境界部分には、発電時間の経過とともに、反応生成水および/またはアノードから移動してきた水が液体状態で蓄積する。この水により、カソード内における酸化剤の拡散性が低下して、カソードの濃度過電圧が増加する。このことが主原因となって、DMFCの発電性能の初期劣化が生じると考えられている。
例えば、特許文献1および特許文献2には、カソード触媒層に複数個の貫通孔または竪穴を設けることが開示されている。特許文献1および2は、複数個の貫通孔または竪穴を設けることにより、カソード触媒層の厚さを厚くした場合でも、触媒層深部までの酸化剤の供給および触媒層深部からの水の排出を円滑に行わせることを意図している。
図1の単位セル1は、電解質膜10と、電解質膜10を挟むアノード11およびカソード12とからなる膜−電極接合体(MEA)13、並びにMEA13を挟むアノード側セパレータ14およびカソード側セパレータ15を備える。
図2に、本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池に含まれるカソード触媒層を概略的に示す正面図を示し、図3に、図2のIII−III線における断面図を示す。図2および3においては、カソード触媒層18と、それを保持する高分子電解質膜10を図示している。なお、図2には、カソード触媒層が対向するサーペンダイン型の燃料流路20も点線で示す。
図4のカソード触媒層50においては、燃料流路の中流部に対向している部分(中流部分)51の厚さを、下流部分42の厚さと同じにしている。つまり、中流部分51の厚さを、上流部分40の厚さより厚くしている。
本実施形態において、カソード触媒層の燃料流路の上流部に対向する部分(上流部分)における、導電性炭素粒子に対する高分子電解質の重量比は、カソード触媒層の燃料流路の下流に対向する部分(下流部分)における、導電性炭素粒子に対する高分子電解質の重量比よりも小さい。本実施形態においても、実施形態1と同様に、カソード触媒層の上流部分に含まれる高分子電解質の量は、カソード触媒層の下流部分に含まれる高分子電解質の量よりも少ない。なお、本実施形態においても、カソード触媒層の燃料流路の上流部に対向する部分(上流部分)、カソード触媒層の燃料流路の下流部に対向する部分(下流部分)、および高分子電解質の量の定義は、実施形態1と同じである。導電性炭素粒子の重量は、カソード触媒層の投影単位面積あたりの部分に含まれる導電性炭素粒子の重量のことをいう。
図6のカソード触媒層70は、カソード触媒を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質とを主成分とする。カソード触媒層70に含まれるカソード触媒には、例えば、白金(Pt)微粒子を用いることができる。カソード触媒層70に含まれる高分子電解質は、電解質膜10を構成する材料と同一であることが好ましい。
例えば、カソード触媒層は、図7の断面図に示されるような構造を有していてもよい。なお、図7において、図6と同じ構成要素には、同じ番号を付している。
図7のカソード触媒層80においては、燃料流路の中流部に対向している部分(中流部分)82における、導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率Wmを、比率Wdと同じにしている。つまり、比率Wmを、比率Wuよりも大きくしている。
タンク101内において、カソード触媒インク102は、攪拌機104により撹拌されて、常時流動状態にある。カソード触媒インク102は、開閉バルブ105を介して、スプレーガン103に供給され、噴出ガスとともに、スプレーガン103から吐出される。噴出ガスは、ガス圧力調整器106およびガス流量調整器107を介して、スプレーガン103に供給される。噴出ガスとしては、例えば、窒素ガスを用いることができる。
カソード拡散層19としては、酸化剤の拡散性、発電により発生した水の排出性および電子伝導性を併せ持つ導電性多孔基材を用いることができる。このような導電性多孔基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。また、公知技術に基づいて、この導電性多孔基材に撥水処理を施してもよい。さらには、導電性多孔基材のカソード触媒層側の表面に撥水性のカーボン層(図示せず)を設けてもよい。
図1に示されるような燃料電池を作製した。
カソード触媒層18を、以下のようにして作製した。カソード触媒として、平均粒径3nmのPtを用いた。前記カソード触媒は、平均一次粒子径30nmの導電性炭素粒子に担持させた。導電性炭素粒子としては、カーボンブラック(三菱化学(株)製のケッチェンブラックEC)を用い、導電性炭素粒子とPtとの合計重量に占めるPtの割合を46重量%とした。
スプレー塗布条件としては、スプレーガンから放出されるカソード触媒インクAの塗布幅の中央部分と隣接するインクの塗布幅の中央部分との間隔を10mmとし、1回塗り重ねるごとに、スプレー塗布開始位置をX軸方向に1mmずらす(オフセット量1mm)方法を用いた。この際、スプレーガン44の移動速度は60mm/秒とした。噴出ガスとしては、窒素ガスを用い、その噴出圧力を0.15MPaに設定した。また、スプレー塗布時の電解質膜10の表面温度を65℃とした。
アノード触媒として、平均粒径3nmのPt−Ru合金微粒子(Pt:Ruの重量比=2:1)を用いた。
前記アノード触媒を、イソプロパノールの水溶液中に超音波分散させた。次いで、得られた分散液に、高分子電解質を5重量%含有した水溶液を添加し、ディスパーで攪拌して、アノード触媒インクを調製した。この際、アノード触媒インク中のPt−Ru合金微粒子と高分子電解質の重量比を2:1とした。高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸イオノマー(旭硝子(株)製のFlemion(商品名))を用いた。
このようにして、膜−触媒層接合体(CCM)を得た。
図9のスプレー式塗布装置を用いて、カソード触媒インクAを、全発電領域(6cm×6cm)に、厚さ方向に30回塗り重ねた。この後、燃料流路の中流部および下流部に対向させる部分(6cm×4.5cm)に、カソード触媒インクAを9回塗り重ねることにより、図4に示されるようなカソード触媒層を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして、燃料電池Bを作製した。
図9のスプレー式塗布装置を用いて、カソード触媒インクAを、全発電領域(6cm×6cm)に、厚さ方向に30回塗り重ねた。この後、カソード触媒インクAを、燃料流路の中流部および下流部に対向する部分(6cm×4.5cm)に3回塗り重ねた。次に、カソード触媒インクAを、燃料流路の中流部の下流側半分に対向する部分(第2中流部分)および下流部に対向する部分(6cm×3cm)に3回塗り重ねた。最後に、カソード触媒インクAを、燃料流路の下流部に対向する部分(6cm×1.5cm)のみに3回塗り重ねた。こうして、図5に示されるようなカソード触媒層を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして、燃料電池Cを作製した。
カソード触媒層の下流部分に含まれる導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率を0.60としたこと以外、実施例1と同様にして、カソード触媒インクBを調製した。同様に、導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率を0.35としたこと以外、実施例1と同様にして、カソード触媒インクCを調製した。
図9のスプレー式塗布装置を用いて、カソード触媒インクCを、燃料流路の上流部に対向する部分(6cm×1.5cm)のみに35回塗り重ねた。次に、カソード触媒インクBを、燃料流路の中流部および下流部に対向する部分(6cm×4.5cm)のみに35回塗り重ねた。こうして、図7に示されるようなカソード触媒層を形成した。前記以外は、実施例4と同様にして、燃料電池Eを作製した。
導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率を0.50としたこと以外、実施例4と同様にして、カソード触媒インクDを調製した。同様に、導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率を0.40としたこと以外、実施例4と同様にして、カソード触媒インクEを調製した。
図9のスプレー式塗布装置を用いて、カソード触媒インクAを、全発電領域(6cm×6cm)に、厚さ方向に39回塗り重ねて、カソード触媒層を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして、比較燃料電池1を作製した。
図9のスプレー式塗布装置を用いて、カソード触媒インクAを、発電領域(6cm×6cm)に、30回塗り重ねた。この後、カソード触媒インクAを、燃料流路の上流部に対向する部分(6cm×1.5cm)のみに、さらに9回塗り重ねた。こうして、カソード触媒層を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして、比較燃料電池2を作製した。
導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率を0.80としたこと以外、実施例1と同様にして、カソード触媒インクFを調製した。
導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率を0.25としたこと以外、実施例1と同様にして、カソード触媒インクGを調製した。
実施例1〜6で作製した燃料電池A〜Fおよび比較例1〜4で作製した比較燃料電池1〜4の耐久特性を、以下のようにして評価した。
4Mメタノール水溶液を流量0.27ml/minでアノードに供給し、空気を流量0.26L/minでカソードに供給して、0.4Vの定電圧で、各燃料電池を連続発電させた。発電時の電池温度は60℃とした。
なお、表1には、カソード触媒層の各部分における、Pt触媒量、高分子電解質の量、および導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率(比率W)も示す。
本発明においては、上記のように、カソード触媒層の上流部分に含まれる高分子電解質の量を、カソード触媒層の下流部分に含まれる高分子電解質の量よりも少なくしている。このため、MCO量の多い燃料流路の上流部に対向しているカソード側の発電領域において、クロスオーバーメタノールにより高分子電解質が膨潤して、カソード触媒層の空隙体積が著しく減少することが抑制される。また、酸素還元反応とクロスオーバーしたメタノールの酸化反応を同時に行うために必要とされる三相界面を確保することができる。さらに、MCO量が少なくなる燃料流路の下流部に対向しているカソード側の発電領域においては、空気拡散性とプロトン伝導性とを両立できるような触媒層構造が形成されている。よって、カソード過電圧の低減化が図られ、燃料電池の耐久性を向上させることができたものと考えられる。
比較燃料電池2および4の場合には、MCO量が少ないカソード触媒層の下流部分における、高分子電解質の量または比率Wが小さい。このため、カソード触媒層の下流部分におけるプロトン伝導性を確保することが困難となり、初期電力密度が顕著に低下したと推察される。
10 電解質膜
11 アノード
12 カソード
13 膜−電極接合体(MEA)
14 アノード側セパレータ
15 カソード側セパレータ
16 アノード触媒層
17 アノード拡散層
18、50、60、70、80、90 カソード触媒層
19 カソード拡散層
20 燃料流路
21 酸化剤流路
22、23 ガスケット
24、25 集電板
26、27 シート状のヒータ
28、29 絶縁板
30、31 端板
40、71 カソード触媒層の燃料流路の上流部に対向している部分(上流部分)
41、51、72、82 カソード触媒層の燃料流路の中流部に対向している部分(中流部分)
42、73 カソード触媒層の燃料流路の下流部に対向している部分(下流部分)
61、91 中流部分のうちの、燃料流路の上流側の領域(第1中流部分)
62、92 中流部分のうちの、燃料流路の下流側の領域(第2中流部分)
100 スプレー式塗布装置
101 タンク
102 カソード触媒インク
103 スプレーガン
104 撹拌機
105 開閉バルブ
106 ガス圧力調整器
107 ガス流量調整器
108 アクチュエータ
109 マスク
110 ヒータ
Claims (5)
- アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを含む膜−電極接合体、前記アノードに接するアノード側セパレータ、および前記カソードに接するカソード側セパレータを備える少なくとも1つの単位セルを有し、
前記アノード側セパレータは、前記アノードに燃料を供給するための燃料流路を有し、
前記カソード側セパレータは、前記カソードに酸化剤を供給するための酸化剤流路を有し、
前記カソードは、前記電解質膜に接するカソード触媒層、および前記カソード側セパレータに接するカソード拡散層を含み、
前記カソード触媒層は、カソード触媒と高分子電解質を含んでおり、
前記カソード触媒層の前記燃料流路の上流部に対向する部分に含まれる前記高分子電解質の量が、前記カソード触媒層の前記燃料流路の下流部に対向する部分に含まれる前記高分子電解質の量よりも少ない、直接酸化型燃料電池。 - 前記カソード触媒層に含まれる前記高分子電解質の量が、前記燃料流路の上流部から下流部に向かって徐々に増加している、請求項1記載の直接酸化型燃料電池。
- 前記カソード触媒層が、前記カソード触媒を担持した導電性炭素粒子をさらに含み、
前記カソード触媒層の前記燃料流路の上流部に対向する部分における、前記導電性炭素粒子に対する前記高分子電解質の重量比が、前記カソード触媒層の前記燃料流路の下流部に対向する部分における、前記導電性炭素粒子に対する前記高分子電解質の重量比よりも小さい、請求項1または2記載の直接酸化型燃料電池。 - 前記カソード触媒層において、前記導電性炭素粒子に対する前記高分子電解質の重量比が、前記燃料流路の上流部から下流部に向かって徐々に増加している、請求項3記載の直接酸化型燃料電池。
- 前記カソード触媒層の前記燃料流路の上流部に対向する部分における、前記導電性炭素粒子に対する前記高分子電解質の重量比が、0.3〜0.6である、請求項3または4記載の直接酸化型燃料電池。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008230868A JP5210096B2 (ja) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | 直接酸化型燃料電池 |
US12/556,167 US20100062307A1 (en) | 2008-09-09 | 2009-09-09 | Direct oxidation fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008230868A JP5210096B2 (ja) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | 直接酸化型燃料電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010067389A true JP2010067389A (ja) | 2010-03-25 |
JP5210096B2 JP5210096B2 (ja) | 2013-06-12 |
Family
ID=41799570
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008230868A Expired - Fee Related JP5210096B2 (ja) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | 直接酸化型燃料電池 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20100062307A1 (ja) |
JP (1) | JP5210096B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012186105A (ja) * | 2011-03-08 | 2012-09-27 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
JP2012195232A (ja) * | 2011-03-17 | 2012-10-11 | Toppan Printing Co Ltd | 膜電極接合体およびその製造方法並びに固体高分子形燃料電池 |
WO2012144119A1 (ja) * | 2011-04-20 | 2012-10-26 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃料電池セル及び燃料電池 |
JP5583276B2 (ja) * | 2011-12-01 | 2014-09-03 | パナソニック株式会社 | 直接酸化型燃料電池 |
JP2021500722A (ja) * | 2017-11-20 | 2021-01-07 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh | 可変の透水性を有する燃料電池 |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5198044B2 (ja) * | 2007-12-04 | 2013-05-15 | パナソニック株式会社 | 直接酸化型燃料電池 |
FR2973581A1 (fr) * | 2011-03-31 | 2012-10-05 | Commissariat Energie Atomique | Pile a combustible a membrane d'echange de protons presentant une duree de vie accrue |
FR2997230A1 (fr) * | 2012-10-22 | 2014-04-25 | Commissariat Energie Atomique | Pile a combustible a membrane echangeuse de protons presentant une duree de vie et des performances accrues |
US9595720B2 (en) * | 2013-03-14 | 2017-03-14 | Ford Global Technologies, Llc | Electrode with catalyst segmentation |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001319663A (ja) * | 2000-05-08 | 2001-11-16 | Fuji Electric Co Ltd | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
JP2002110191A (ja) * | 2000-09-27 | 2002-04-12 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 直接メタノール型燃料電池 |
JP2007234589A (ja) * | 2006-02-01 | 2007-09-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 直接酸化型燃料電池および直接酸化型燃料電池システムの運転方法 |
JP2008269849A (ja) * | 2007-04-17 | 2008-11-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 直接酸化型燃料電池 |
JP2009140656A (ja) * | 2007-12-04 | 2009-06-25 | Panasonic Corp | 直接酸化型燃料電池 |
JP2009272238A (ja) * | 2008-05-09 | 2009-11-19 | Panasonic Corp | 直接酸化型燃料電池 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4923319B2 (ja) * | 2000-07-25 | 2012-04-25 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
KR100503390B1 (ko) * | 2000-08-16 | 2005-07-21 | 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 | 연료전지 |
US7291417B2 (en) * | 2003-01-16 | 2007-11-06 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Compositional and structural gradients for fuel cell electrode materials |
-
2008
- 2008-09-09 JP JP2008230868A patent/JP5210096B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2009
- 2009-09-09 US US12/556,167 patent/US20100062307A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001319663A (ja) * | 2000-05-08 | 2001-11-16 | Fuji Electric Co Ltd | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
JP2002110191A (ja) * | 2000-09-27 | 2002-04-12 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 直接メタノール型燃料電池 |
JP2007234589A (ja) * | 2006-02-01 | 2007-09-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 直接酸化型燃料電池および直接酸化型燃料電池システムの運転方法 |
JP2008269849A (ja) * | 2007-04-17 | 2008-11-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 直接酸化型燃料電池 |
JP2009140656A (ja) * | 2007-12-04 | 2009-06-25 | Panasonic Corp | 直接酸化型燃料電池 |
JP2009272238A (ja) * | 2008-05-09 | 2009-11-19 | Panasonic Corp | 直接酸化型燃料電池 |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012186105A (ja) * | 2011-03-08 | 2012-09-27 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
JP2012195232A (ja) * | 2011-03-17 | 2012-10-11 | Toppan Printing Co Ltd | 膜電極接合体およびその製造方法並びに固体高分子形燃料電池 |
WO2012144119A1 (ja) * | 2011-04-20 | 2012-10-26 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃料電池セル及び燃料電池 |
JP2012227011A (ja) * | 2011-04-20 | 2012-11-15 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 燃料電池セル及び燃料電池 |
US9954237B2 (en) | 2011-04-20 | 2018-04-24 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Fuel cell and fuel cell stack |
JP5583276B2 (ja) * | 2011-12-01 | 2014-09-03 | パナソニック株式会社 | 直接酸化型燃料電池 |
JP2021500722A (ja) * | 2017-11-20 | 2021-01-07 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh | 可変の透水性を有する燃料電池 |
US11289720B2 (en) | 2017-11-20 | 2022-03-29 | Robert Bosch Gmbh | Fuel cell having a variable water permeability |
JP7184493B2 (ja) | 2017-11-20 | 2022-12-06 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | 可変の透水性を有する燃料電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5210096B2 (ja) | 2013-06-12 |
US20100062307A1 (en) | 2010-03-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5210096B2 (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
JP5064679B2 (ja) | 直接メタノール型燃料電池 | |
JP5188872B2 (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
JP4228911B2 (ja) | 燃料電池とその製造方法 | |
JP5198044B2 (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
JP2007172909A (ja) | 直接型燃料電池および直接型燃料電池システム | |
JP5126812B2 (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
WO2011036834A1 (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
US20070178367A1 (en) | Direct oxidation fuel cell and method for operating direct oxidation fuel cell system | |
JP2007234589A (ja) | 直接酸化型燃料電池および直接酸化型燃料電池システムの運転方法 | |
JP2007335163A (ja) | 膜触媒層接合体、膜電極接合体および高分子電解質形燃料電池 | |
JP5238185B2 (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
JP2011204583A (ja) | 燃料電池用膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池 | |
JP2005197195A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP2006049115A (ja) | 燃料電池 | |
JP2010021114A (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
JP4229209B2 (ja) | 燃料電池とその製造方法 | |
JP2007073337A (ja) | 直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体およびそれを用いた直接メタノール形燃料電池 | |
JP2006339125A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP4043451B2 (ja) | 燃料電池用拡散層およびそれを用いた燃料電池 | |
JP2007335162A (ja) | 膜触媒層接合体、膜電極接合体および高分子電解質形燃料電池 | |
KR101093708B1 (ko) | 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 | |
JP5268352B2 (ja) | 膜−電極接合体、およびそれを使用した直接酸化型燃料電池 | |
JP2011071067A (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
JP2010238370A (ja) | 直接酸化型燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110705 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130123 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130124 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130222 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160301 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |