JP2010267417A - Solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜として機能する固体高分子膜の両面に電極を配置して燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するとき、電気化学反応によって生じる電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池に関し、特に、氷点下の低温からの起動性に優れた電極の構成および材質に関するものである。 The present invention relates to a solid polymer fuel cell that obtains electric energy generated by an electrochemical reaction when electrodes are arranged on both sides of a solid polymer membrane functioning as an electrolyte membrane and fuel gas and oxidant gas are supplied respectively. In particular, the present invention relates to the structure and material of an electrode excellent in startability from a low temperature below freezing point.
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置である。燃料電池には、電解質の相違によって複数種類のタイプがあるが、近年、比較的低温で作動し、且つ高出力の得られる固体高分子形燃料電池が注目されている。 A fuel cell is a device that converts chemical energy of a fuel gas into electrical energy by causing an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. Although there are a plurality of types of fuel cells depending on the difference in electrolyte, in recent years, solid polymer fuel cells that operate at a relatively low temperature and obtain a high output have attracted attention.
このような固体高分子形燃料電池は、電解質層として機能する固体高分子膜をその両面から燃料電極( アノード:水素電極)と酸化剤電極( カソード:空気電極)とで挟持した単電池を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有するセパレータを介して、複数個積層することにより構成される。燃料電極に水素を含む燃料ガスが供給され、酸化剤電極に酸素を含む酸化剤ガスが供給されると、両電極では、下記の化学反応式で示される反応がそれぞれ生じる。 Such a polymer electrolyte fuel cell has a unit cell in which a solid polymer membrane functioning as an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode (anode: hydrogen electrode) and an oxidant electrode (cathode: air electrode) from both sides. It is configured by stacking a plurality of fuel gas channels and oxidant gas channels through separators having front and back surfaces. When a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the oxidant electrode, the reactions shown by the following chemical reaction formulas occur at both electrodes.
(燃料電極でのアノード反応)
H2→2H++2e− ・・・(1)
(酸化剤電極でのカソード反応)
2H++( 1/2)O2+2e−→H2O ・・・(2)
(Anode reaction at the fuel electrode)
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(Cathode reaction at oxidant electrode)
2H + + (1/2) O 2 + 2e - → H 2 O ··· (2)
上式(1) に示されるように、燃料電極では水素がプロトン( H+) に変換され、そのプロトン( H+) が水を伴って電解質膜中を燃料電極側から酸化剤電極側へ移動し、上式(2) に示されるように、酸化剤電極においてプロトン( H+) が酸素と反応して水が生成される。上記電解質膜としては、プロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸膜( 米国デュポン社製ナフィオン膜) が知られており、この膜は、分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和状態に含水することによりイオン電導性高分子として機能する。また、その電解質膜を挟む燃料電極および酸化剤電極は、触媒を担持する触媒担持体およびイオノマー( イオン電導性高分子) を含む触媒層をその電解質膜側に有している。 As shown in the above formula (1), hydrogen is converted into protons (H + ) in the fuel electrode, and the proton (H + ) moves from the fuel electrode side to the oxidant electrode side through the electrolyte membrane with water. Then, as shown in the above formula (2), proton (H + ) reacts with oxygen at the oxidizer electrode to generate water. As the above electrolyte membrane, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont, USA), which is a proton exchange membrane, is known, and this membrane has a hydrogen ion exchange group in the molecule and hydrates in a saturated state. Therefore, it functions as an ion conductive polymer. Further, the fuel electrode and the oxidant electrode sandwiching the electrolyte membrane have a catalyst carrier containing a catalyst and a catalyst layer containing an ionomer (ion conducting polymer) on the electrolyte membrane side.
単電池の起電力が1V以下という低電圧であるため、通常はセパレータを介して、数十枚乃至数百枚の単電池が積層された積層体が燃料電池を構成している。このような積層体から構成される燃料電池では、都市ガスやLPGなどを燃料として寒冷地域の屋外設置で使用されるような場合など、0℃よりも低い低温条件下で起動する際には、発電によって生じた水が電極の触媒層内の気孔を凍結により閉塞し、酸化剤ガスの供給や反応ガスの拡散に支障が発生し、固体高分子形燃料電池の起動性が損なわれるという問題があった。 Since the electromotive force of the unit cell is a low voltage of 1 V or less, a laminate in which several tens to hundreds of unit cells are usually stacked via a separator constitutes a fuel cell. When starting up under low-temperature conditions lower than 0 ° C., such as when used in outdoor installations in cold areas using city gas, LPG, etc. as fuel, in a fuel cell composed of such a laminate, Water generated by power generation clogs pores in the catalyst layer of the electrode by freezing, which causes problems in the supply of oxidant gas and diffusion of reaction gas, and impairs the startability of the polymer electrolyte fuel cell. there were.
これに対して、0℃よりも低い低温条件下での起動性を向上させるために、特許文献1では、セルに不凍タンパクなどの氷結晶成長抑制物質を設けることが提案され、特許文献2では、酸化剤電極側で生成された水分を膜内に速やかに吸収できるように酸化剤電極側の電解質膜から燃料電極側の電解質膜へ向かって水分を含有するクラスター径を順次大きくした構成とすることが提案されている。
On the other hand, in order to improve the startability under a low temperature condition lower than 0 ° C.,
ところで、たとえば特許文献1の従来の固体高分子形燃料電池では、過冷却による破壊によって、酸化剤電極の電解質膜側に設けられた酸化剤触媒層に生成された水が一気に凍結する可能性が残されていた。また、特許文献2の従来の固体高分子形燃料電池では、触媒層のイオノマーと電解質膜との間の生成水の移送や、電解質膜内での水の移送の制御がクラスター径の大きさだけでは困難であるという問題が残されていた。このため、氷点下という低温状態からの起動性を十分に有する固体高分子形燃料電池が未だ得られていない。
By the way, in the conventional polymer electrolyte fuel cell of
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、氷点下という低温状態からの起動性を十分に有する固体高分子形燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having sufficient startability from a low temperature state below freezing point.
特に酸化剤電極の触媒層では、前記(1) 式或いは(2) 式の反応を促進するための触媒を担持する触媒担持体は、イオノマーに被覆されそのイオノマーを通してイオン( プロトンH+) を移送したり或いは受け取る必要があると考えられているため、従来では、触媒層には比較的大きな気孔率で気孔が設けられていた。このため、前述のように0℃より低い低温状態において生成された水が凍結して上記気孔を閉塞し、固体高分子形燃料電池の起動性が損なわれていた。これに対して、本発明者は、上記従来の考え方に反して触媒担持体に対するイオノマーの割合を高めたところ、気孔は少なくなるものの、意外にも低温状態における固体高分子形燃料電池の発電継続時間が大幅に長くなると言う事実を見いだした。これは、0℃より低い低温状態において発電により生成された水分の多くは、高分子電解質であるイオノマーのクラスター内に留まり、生成水の凍結が回避されると共に、酸化剤として酸素がイオノマーを構成する元素( フッ素) やイオノマーに含有された水に溶解して触媒に運ばれるため、たとえ触媒層の気孔内の水が凍結しても、酸素が触媒に供給され続けたことを裏付けており、その効果は触媒担持体に対するイオノマーの割合が高いほど大きくなった。本発明は、このような知見に基づいて為されたものである。 In particular, in the catalyst layer of the oxidant electrode, the catalyst carrier that supports the catalyst for promoting the reaction of the above formula (1) or (2) is coated with an ionomer, and ions (proton H + ) are transferred through the ionomer. In the past, pores were provided in the catalyst layer with a relatively large porosity. For this reason, as described above, water generated in a low temperature state lower than 0 ° C. freezes to close the pores, and the startability of the polymer electrolyte fuel cell is impaired. Contrary to this, the present inventor increased the ratio of the ionomer to the catalyst carrier contrary to the conventional idea described above, but surprisingly continued the power generation of the polymer electrolyte fuel cell in a low temperature state although the pores were reduced. I found the fact that time would be significantly longer. This is because most of the water generated by power generation at low temperatures below 0 ° C stays in the ionomer cluster, which is a polymer electrolyte, and freezing of the generated water is avoided and oxygen constitutes the ionomer as an oxidant. The element is dissolved in water contained in the element (fluorine) and ionomer and transported to the catalyst, so even if the water in the pores of the catalyst layer freezes, it is supported that oxygen continues to be supplied to the catalyst, The effect increased as the ratio of ionomer to catalyst support increased. The present invention has been made based on such knowledge.
すなわち、請求項1に係る発明の要旨とするところは、(a) 固体高分子製の電解質膜を、触媒を担持する触媒担持体およびイオノマーを含む触媒層を該電解質膜側に有する燃料電極と酸化剤電極との間に介在させて成る単電池を、セパレータを介して複数個積層した固体高分子形燃料電池であって、(b) 前記酸化剤電極の触媒層において前記触媒担持体に対する前記イオノマーの体積比率は、0.45以上であることを特徴とする。
That is, the gist of the invention according to
また、請求項2に係る発明の要旨とするところは、請求項1に係る発明において、(c) 前記酸化剤電極の触媒層における前記イオノマーは、フッ素原子を含むフッ素系高分子電解質であることを特徴とする。
The gist of the invention according to
また、請求項3に係る発明の要旨とするところは、請求項1または2に係る発明において、(d) 前記酸化剤電極の触媒層において前記触媒担持体は炭素粒子であり、(e) その触媒層において該触媒担持体に対する前記イオノマーの質量比率は、0.5以上であることを特徴とする。
Further, the gist of the invention according to claim 3 is that, in the invention according to
請求項1に係る発明の固体高分子形燃料電池によれば、(a) 固体高分子製の電解質膜を、触媒を担持する触媒担持体およびイオノマーを含む触媒層を該電解質膜側に有する燃料電極と酸化剤電極との間に介在させて成る単電池を、セパレータを介して複数個積層した固体高分子形燃料電池であって、(b) 前記酸化剤電極の触媒層において前記触媒担持体に対する前記イオノマーの体積比率が、0.45以上であることから、触媒層の気孔が大幅に少なくなってその気孔内が水の凍結により閉塞されることが少なくなる一方で、生成された水分の多くは高分子電解質であるイオノマーのクラスターを介して酸化剤ガス拡散層へ運ばれ、酸化剤としての酸素がイオノマーを構成する元素やイオノマーに含有された水に溶解して触媒に運ばれるため、たとえ触媒層の気孔内の水が凍結しても、酸素が触媒に供給され続けるので、氷点下という低温状態での固体高分子形燃料電池の起動性が大幅に高められる。
According to the solid polymer fuel cell of the invention of
また、請求項2に係る発明の固体高分子形燃料電池によれば、(c) 前記酸化剤電極の触媒層における前記イオノマーは、フッ素原子を含むフッ素系高分子電解質であることから、酸化剤としての酸素がイオノマーを構成するフッ素に含有された水に溶解して触媒に運ばれるため、たとえ触媒層の気孔内の水が凍結しても、一層、酸素が触媒に供給され続ける利点がある。
According to the polymer electrolyte fuel cell of the invention according to
また、請求項3に係る発明の固体高分子形燃料電池によれば、(d) 前記酸化剤電極の触媒層において前記触媒担持体は炭素粒子であり、(e) その触媒層において該触媒担持体に対する前記イオノマーの質量比率は、0.5以上であることから、触媒層の気孔が大幅に少なくなってその気孔内が水の凍結により閉塞されることが少なくなる一方で、生成された水分の多くは、高分子電解質であるイオノマーのクラスター内を介して酸化剤ガス拡散層へ運ばれ、酸化剤としての酸素がイオノマーを構成する元素やイオノマーに含有された水に溶解して触媒に運ばれるので、たとえ触媒層の気孔内の水が凍結しても、酸素が触媒に供給され続け、氷点下という低温状態での固体高分子形燃料電池の起動性が大幅に高められる。 According to the solid polymer fuel cell of the invention of claim 3, (d) the catalyst carrier is carbon particles in the catalyst layer of the oxidant electrode, and (e) the catalyst carrier in the catalyst layer. Since the mass ratio of the ionomer to the body is 0.5 or more, the pores of the catalyst layer are significantly reduced and the pores are less likely to be blocked by water freezing, while the generated moisture Most of these are transported to the oxidant gas diffusion layer through the ionomer cluster, which is a polymer electrolyte, and oxygen as the oxidant is dissolved in the ionomer and water contained in the ionomer and transported to the catalyst. Therefore, even if the water in the pores of the catalyst layer freezes, oxygen continues to be supplied to the catalyst, and the startability of the polymer electrolyte fuel cell at a low temperature below the freezing point is greatly improved.
ここで、前記固体高分子形燃料電池の酸化剤電極は、その触媒層が触媒を担持する触媒担持体およびイオノマーを含むものであって、そのイオノマーが触媒担持体に対して0.45以上の体積比率となるように増量されたものであるが、上記固体高分子形燃料電池の燃料電極の触媒層も、そのようにイオノマーが触媒担持体に対して0.45以上の体積比率となるように増量されたものであってもよい。 Here, the oxidant electrode of the polymer electrolyte fuel cell includes a catalyst carrier and an ionomer in which the catalyst layer supports the catalyst, and the ionomer is 0.45 or more with respect to the catalyst carrier. The volume is increased so as to be a volume ratio, but the catalyst layer of the fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell also has a volume ratio of 0.45 or more with respect to the catalyst support. It may be increased.
また、好適には、前記触媒を担持する触媒担持体はその触媒よりも十分に大径である。すなわち、触媒はそれを担持する触媒担持体よりも十分に小径である。 Preferably, the catalyst carrier for carrying the catalyst has a sufficiently larger diameter than the catalyst. That is, the catalyst has a sufficiently smaller diameter than the catalyst carrier that supports it.
前記触媒を担持する触媒担持体としては、導電性を有するカーボン粒子が好適に用いられるが、それに替えて或いはそれに加えて、酸化チタン、酸化アルミニウムなどの他の物質が用いられてもよい。これら酸化チタン、酸化アルミニウムなどは、数十nm程度の小粒径とすることにより、導電性が得られる。 As the catalyst carrier for carrying the catalyst, conductive carbon particles are preferably used, but other substances such as titanium oxide and aluminum oxide may be used instead of or in addition thereto. These titanium oxide, aluminum oxide, and the like can be made conductive by having a small particle diameter of about several tens of nanometers.
前記電解質層としては、耐食性、耐熱性、耐久性に優れた物質であって、たとえば分子中に水素イオンの交換基を有し、飽和状態に含水させられることによりプロトン( H+)を移動させる高いイオン伝導性を有するとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスを分離する機能を有する固体物質、たとえば、樹脂骨格にスルホン基を複合化させたパーフルオロカーボン系固体電解質、側鎖としてスルホン基を導入させた炭化水素系固体電解質など、たとえばパーフルオロスルホン酸系高分子電解質を代表とするフッ素系高分子電解質が用いられる。また、電解質層として、そのフッ素系高分子電解質に替えて、炭化水素系高分子電解質などが用いられてもよい。 The electrolyte layer is a substance excellent in corrosion resistance, heat resistance, and durability. For example, the electrolyte layer has a hydrogen ion exchange group in the molecule, and moves protons (H + ) by being saturated with water. A solid substance having a high ion conductivity and a function of separating fuel gas and oxidant gas, for example, a perfluorocarbon-based solid electrolyte in which a sulfone group is combined with a resin skeleton, and a sulfone group is introduced as a side chain For example, a fluorine-based polymer electrolyte typified by a perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte is used, such as a hydrocarbon-based solid electrolyte. Further, as the electrolyte layer, a hydrocarbon polymer electrolyte or the like may be used instead of the fluorine polymer electrolyte.
前記燃料電極( アノード:水素電極)および酸化剤電極( カソード:空気電極)は、好適には、白金等の触媒活性を有する物質を担持する触媒担持体およびイオノマーを含む触媒層と、反応ガスの拡散を促すために通気性が高く且つ電導性の高いガス拡散層とが積層されることにより構成されるが、導電性およびガス透過性を有する他の層がさらに加えられてもよい。上記ガス拡散層は、たとえばカーボン繊維或いは金属繊維を含む布或いは多孔質の板状とされ、集電体としての機能や触媒層を支持する機能を備えている。上記触媒層は、前記アノード反応およびカソード反応をそれぞれの促進させる活性な表面サイトを有する導電性物質から構成され、たとえば含浸法、コロイド法、イオン法などにより粒径数nmの白金、白金合金或いは、非白金系触媒(たとえば酸化物やカーボンアロイなど)が均一に分散された比表面積の高いカーボン担体(炭素粒子)や、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンといった微細構造を有する炭素担体材料、酸素活性を有する大環状有機化合物、ペロブスカイト等の金属酸化物や硫化物を用いたものなどが用いられる。 Preferably, the fuel electrode (anode: hydrogen electrode) and the oxidant electrode (cathode: air electrode) are preferably composed of a catalyst carrier containing a substance having catalytic activity such as platinum and a catalyst layer containing an ionomer, and a reactive gas. In order to promote diffusion, the gas diffusion layer having high air permeability and high conductivity is laminated. However, another layer having conductivity and gas permeability may be further added. The gas diffusion layer is, for example, a cloth or a porous plate including carbon fiber or metal fiber, and has a function as a current collector and a function of supporting the catalyst layer. The catalyst layer is composed of a conductive material having active surface sites that promote the anode reaction and the cathode reaction, respectively. For example, platinum, a platinum alloy having a particle diameter of several nm by an impregnation method, a colloid method, an ion method, etc. , Non-platinum-based catalysts (for example, oxides and carbon alloys) are uniformly dispersed, carbon supports having a high specific surface area (carbon particles), carbon support materials having a fine structure such as carbon nanotubes and carbon nanohorns, and oxygen activity Macrocyclic organic compounds, those using metal oxides such as perovskite, and sulfides are used.
前記イオノマーは、イオン導電性を有する高分子という意味で用いられており、たとえば前記電解質層と同じ物質、たとえばパーフルオロスルホン酸系高分子電解質を代表とするフッ素系高分子電解質から、或いは炭化水素系高分子電解質から構成されてもよい。 The ionomer is used in the meaning of a polymer having ionic conductivity. For example, the ionomer is the same material as the electrolyte layer, for example, a fluorine-based polymer electrolyte typified by a perfluorosulfonic acid-based polymer electrolyte, or a hydrocarbon. It may be composed of a polymer electrolyte.
前記固体高分子形燃料電池は、1組の電解質膜とそれを挟む1対の燃料電極および酸化剤電極とから成る単電池の起電力が1V以下という低電圧であるため、通常はセパレータを介して、数十枚乃至数百枚の単電池が積層された積層体から構成される。このセパレータは、比較的薄い実質的に1枚の導電性を有する板から構成され、前記電解質層とそれを挟むように積層された燃料ガス電極および酸化剤ガス電極とを支持するものである。このセパレータ金属板は、1 枚の金属板、複数の薄い金属板がラミネートされたもの、高密度のカーボン板、或いは、カーボンと樹脂との複合板であってもよい。上記セパレータのそれら電極と接触する部分である電極接触部には、塑性加工により燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が表面および裏面に成形される。上記燃料電極および酸化剤電極がカソード反応およびアノード反応に局部的に関与するように構成されている場合は、セパレータの電極接触部のうち少なくともその反応部分に接触する部分に、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成される。 In the polymer electrolyte fuel cell, since the electromotive force of a unit cell composed of a pair of electrolyte membranes and a pair of fuel electrode and oxidant electrode sandwiching the electrolyte membrane is a low voltage of 1 V or less, usually, a separator is interposed. Thus, it is composed of a laminate in which tens to hundreds of single cells are laminated. This separator is composed of a relatively thin substantially conductive plate, and supports the electrolyte layer and the fuel gas electrode and the oxidant gas electrode laminated so as to sandwich the electrolyte layer. The separator metal plate may be a single metal plate, a laminate of a plurality of thin metal plates, a high-density carbon plate, or a composite plate of carbon and resin. A fuel gas channel and an oxidant gas channel are formed on the front surface and the back surface of the electrode contact portion, which is a portion in contact with the electrodes of the separator, by plastic working. When the fuel electrode and the oxidant electrode are configured to participate locally in the cathode reaction and the anode reaction, the fuel gas flow path and the electrode contact portion of the separator at least in the portion that contacts the reaction portion An oxidant gas flow path is formed.
前記セパレータの全体またはその電極接触部は、それ自体に高い導電性を備えるために、好適には、少なくともその基体が高導電性の金属、たとえばステンレス鋼、ニッケル含有合金、クロム含有合金、アルミニウム、アルミニウム含有合金、銅、銅含有合金、チタン、チタン含有合金の少なくとも1種から構成される。 In order to provide the whole separator or its electrode contact part with high conductivity in itself, it is preferable that at least the substrate has a highly conductive metal such as stainless steel, nickel-containing alloy, chromium-containing alloy, aluminum, It is comprised from at least 1 sort (s) of an aluminum containing alloy, copper, a copper containing alloy, titanium, and a titanium containing alloy.
前記セパレータの電極接触部は、好適には、その表面の耐食性を高めるための導電性耐食層、たとえば金、カーボン、酸化チタン、酸化ニッケルの少なくとも1つを含有するコーティングが表面に施される。 The electrode contact portion of the separator is preferably provided with a coating containing a conductive corrosion-resistant layer for enhancing the corrosion resistance of the surface, for example, at least one of gold, carbon, titanium oxide, and nickel oxide.
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は簡略化されており、それら各部の寸法等は必ずしも正確に描かれていない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are simplified, and the dimensions and the like of each part are not necessarily drawn accurately.
図1は、固体高分子形燃料電池装置10の構成の要部を説明する図である。図1において、たとえばLPGや都市ガスなどの燃料ガスから抽出された水素ガスを貯留する水素ガス貯留装置12からは、減圧および流量調節装置14を介して固体高分子形燃料電池16の燃料ガス流路18に水素ガスが燃料ガスとして供給される。また、空気ポンプ20からは、フィルタ22を通して吸入された空気が減圧および流量調節装置24を介して空気が酸化剤ガスとして必要に応じて湿度変換器29により加湿された後、燃料電池16の酸化剤ガス流路26に供給される。なお、上記燃料ガス流路18も同様に湿度変換器29を通して固体高分子形燃料電池16へ供給されてもよい。固体高分子形燃料電池16から燃料ガス流路18を通して放出される余剰の水素は水素回収循環装置28により回収され、図示しない循環ガス流路を介して減圧および流量調節装置14へ再循環させられる。また、固体高分子形燃料電池16から放出される余剰の空気は、燃料電池16内で発生した水分と共に大気へ放出される。或いは、固体高分子形燃料電池16から放出される余剰の空気はその固体高分子形燃料電池16内で生成した水分が湿度変換器29により回収された後大気へ放出される。
FIG. 1 is a diagram for explaining a main part of the configuration of the polymer electrolyte
上記固体高分子形燃料電池16は、たとえば数十個乃至数百個程度の複数の単電池34が導電性のセパレータ28を介して積層され且つ図示しない締結装置からの所定の締結力で厚み方向に押圧されることによって構成された積層構造を有している。単電池34の起電力が1V以下という低電圧であるため、上記積層構造による直列接続することで、積層方向の両端に位置する電極から高い電圧出力を得るためである。図2はそれらセパレータ28および単電池34の要部を模式的に示す断面図である。図2に示すように、単電池34は、固体高分子製の電解質膜36とそれを挟む燃料電極38および酸化剤電極40とを備え、その電解質膜36が燃料電極38と酸化剤電極40との間に密着状態で介在させられた状態で積層されることにより構成されている。電解質膜36は、プロトン( H+) が水を伴って透過することが可能なイオン導電性固体高分子から成り、たとえばプロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂(米国デュポン社製ナフィオン膜(商品名))が用いられる。
In the polymer
前記セパレータ28は、ステンレス鋼板などの金属板材やカーボン板などの0.1mm乃至3mm程度の厚みを有する気密性および導電性を有する部材で構成され、その表面(一面)および裏面(他面)には、直線状の燃料ガス流路18および直線状の酸化剤ガス流路26を構成する溝、或いは、サーペンタイン状(蛇行状)の溝が、セパレータ28の電極接触部の全域にわたって直列的に連通するように形成されている。このセパレータ28は、複数の導電性の部材が積層されたものであってもよい。好適には、そのセパレータ28の少なくとも電極接触部は、耐食性や電気的接触を高めるために、金、カーボン、酸化チタン、酸化ニッケルの少なくとも1つを含有するコーティングが表面に施される。なお、セパレータ28と電解質膜36との間の気密性或いは液密性を高めるために、燃料電極38或いは酸化剤電極40を取り囲むように形成された、たとえば合成樹脂製或いは合成ゴム製の環状シール部材30がそれぞれ介在させられている。
The
図3に模式的に示すように、上記燃料電極38と酸化剤電極40は、前記(1) 式のアノード反応および前記(2) 式のカソード反応を促進するための触媒活性を有する燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44と、それら燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44を機械的に支持し、且つガスの拡散を促進してそれら燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44との全面的に均等な接触を図るための燃料ガス拡散層46および酸化剤ガス拡散層48とからそれぞれ構成されている。
As schematically shown in FIG. 3, the
上記燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44は、白金触媒、白金を含む白金系合金触媒、その他の非白金系触媒(たとえば酸化物やカーボン)等の触媒54を担持した触媒担持体として機能するカーボン粒子( 粉末) 56と、それらカーボン粒子( 粉末) 56を内在させるイオノマー58とを備えている。触媒担持体として機能するカーボン粒子56は、たとえば数十nm以上の粒径を有し、たとえば数nm程度の触媒54よりも十分に大径であって、電子を伝導させるために、相互に接触した状態で炭素繊維60と電解質層36との間に設けられる。イオノマー58は、プロトン( H+)を伝導可能なイオン導電性を有する高分子であり、電解質層36と同じ物質、たとえばパーフルオロスルホン酸系高分子電解質を代表とするフッ素系高分子電解質から構成されてもよい。このような物質としては、たとえばデュポン社のナフィオン(Nafion)、旭硝子社のフレミオン(Flemion) 、旭化成社のアシプレックス(Aciplex) が用いられ得る。デュポン社のナフィオン117(Nafion 117)の平均分子量は、250000であると報告されている[ H.-G. Haubold, Th. Vad, H. Jungbluth, P. Hiller : Electrochimica Acts 46 (2001) 1559-1563 ] 。また、上記3社から得られるパーフルオロスルホン酸系高分子電解質の化学式は、図4に示されるものである。
The fuel
上記燃料ガス拡散層46および酸化剤ガス拡散層48は、炭素繊維60から成るカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどから構成されることにより、高導電性且つ気孔率の高い高通気性の比較的強度のある基材とされ、それに親水処理を施したり或いは撥水処理を施したりすることにより構成されている。これにより、燃料ガス拡散層46および酸化剤ガス拡散層48は、燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44を支持する機能と、反応ガスを均一に拡散させる機能と、集電体としての機能とを備えている。このように構成された燃料電極38と酸化剤電極40との間で電解質膜36が挟持されることにより構成された単電池34は、その両面から一対のセパレータ28によって挟圧されている。
The fuel
本実施例の固体高分子形燃料電池16では、上記のように、燃料電極38および酸化剤電極40は互いに同様に構成されているが、少なくとも酸化剤電極40の酸化剤ガス触媒層44において、触媒担持体として機能するカーボン粒子( 粉末) 56に対するイオノマー58の割合が、体積比率で0.45以上、質量( 重量) 比率で0.5以上となるように設定されている。酸化剤電極40におけるカーボン粒子56の重量および体積をCw およびCv 、酸化剤電極40におけるイオノマー58の重量および体積をIw およびIv としたとき、上記カーボン粒子( 粉末) 56に対するイオノマー58の質量比率はIw /Cw で表示され、体積比率はIv /Cv で表示される。カーボン粒子56の密度は1.8であり、ナフィオンの密度は1.97であり、カーボン粒子56の密度/ナフィオンの密度=0.91となるから、上記「質量( 重量) 比率で0.5以上」は「体積比率で0.45以上」と言い換えることができる。
In the polymer
以上のように構成された固体高分子形燃料電池16では、酸化剤電極40の酸化剤ガス触媒層44において、触媒担持体として機能するカーボン粒子( 粉末) 56に対するイオノマー58の割合が、体積比率で0.45以上、質量( 重量) 比率で0.5以上となるように設定されていることから、図3に示すように酸化剤ガス触媒層44内に形成される気孔62が少なく且つ小さいので、0℃未満の低温条件下において発電によって生成された水Wの一部は、積層体である固体高分子形燃料電池装置10の反応熱によって0℃以上に昇温するまでイオノマー58を構成する高分子電解質のクラスター内に留まることで凍結が回避されるとともにクラスターを介して酸化剤ガス拡散層48へ運ばれ、酸化剤としての酸素がイオノマー58を構成する元素やイオノマー58に含有された水Wに溶解して触媒54に運ばれるため、たとえ酸化剤ガス触媒層44内の気孔62内の水Wが凍結しても、酸素が触媒54に供給され続けるので、氷点下という低温状態での固体高分子形燃料電池16の起動性が大幅に高められる。また、酸素を吸着し易いフッ素を含むパーフルオロスルホン酸系高分子電解質を構成するフッ素に酸素が溶解して酸化剤ガス触媒層44内の触媒54へ運ばれるため、たとえ、酸化剤ガス触媒層44の気孔内の凍結に起因する気孔62の閉塞が発生しても、酸素が触媒54へ供給され続ける。このため、たとえば、0℃未満の低温条件下において起動する場合において、その凍結に起因する不都合が生じることなく、発電が継続される。図3の矢印は上記酸素が運ばれる経路を例示するものである。
In the polymer
ここで、米国エネルギー省( DOE)は、燃料電池の起動について、20℃および−20℃から50%出力までの起動時間として5秒および30秒という目標起動時間を発表している。この値から換算すると、−30℃から50%出力までの目標起動時間は45秒となり、−40℃から50%出力までの目標起動時間は60秒となる。 Here, the US Department of Energy (DOE) has announced target startup times of 5 and 30 seconds for startup of fuel cells from 20 ° C. and −20 ° C. to 50% output. When converted from this value, the target activation time from −30 ° C. to 50% output is 45 seconds, and the target activation time from −40 ° C. to 50% output is 60 seconds.
図5は、本発明者等が行った、従来の固体高分子形燃料電池の発電特性試験を示している。この試験では、単電池を温度28℃の環境下に設置し、起動時の単電池出力電圧を0.6Vとし、2秒間隔でデータを採取し、そのデータから単電池の発電特性を示している。図5に示されているように、50秒経過後に立ち上がり、2秒以内に定常発電状態に到達し、0.324W/cm2の出力が得られた。この出力は、予め設定された最高出力0.6W/cm2の54%に相当している。 FIG. 5 shows a power generation characteristic test of a conventional polymer electrolyte fuel cell conducted by the present inventors. In this test, the unit cell was installed in an environment of 28 ° C., the unit cell output voltage at startup was 0.6 V, data was collected at 2-second intervals, and the power generation characteristics of the unit cell were shown from the data. Yes. As shown in FIG. 5, it rose after 50 seconds and reached a steady power generation state within 2 seconds, and an output of 0.324 W / cm 2 was obtained. This output corresponds to 54% of a preset maximum output of 0.6 W / cm 2 .
また、本発明者等は、これまでの従来の固体高分子形燃料電池の氷点下からの起動時間に関して、平均電流密度をパラメータとした熱解析を実施し、−30℃から28℃までの起動時間と単電池セルの出力電圧との間の関係を測定した。図6はその関係を示している。図6において、−30℃の雰囲気下において平均電流密度0.04A/cm2および0.08A/cm2にて起動を行う場合、瞬時に起動し且つ最高出力の50%以上の出力が可能な28℃までに昇温するためには、それぞれ90秒および45秒の起動時間が必要であることを示している。 In addition, the present inventors conducted thermal analysis using the average current density as a parameter for the conventional solid polymer fuel cell startup time from below freezing point, and the startup time from −30 ° C. to 28 ° C. And the output voltage of the unit cell was measured. FIG. 6 shows the relationship. In FIG. 6, when starting at an average current density of 0.04 A / cm 2 and 0.08 A / cm 2 in an atmosphere of −30 ° C., the start is instantaneous and an output of 50% or more of the maximum output is possible. In order to raise the temperature to 28 ° C., it is indicated that a start time of 90 seconds and 45 seconds is required, respectively.
さらに、本発明者等は、前述の実施例の固体高分子形燃料電池において、燃料電極38の燃料ガス触媒層42および酸化剤電極40の酸化剤ガス触媒層44において、触媒担持体として機能するカーボン粒子( 粉末) 56に対するイオノマー58の質量割合( Iw /Cw)を、0.5( Cw :Iw =1:0.5)、1( Cw :Iw =1:1)、1.5( Cw :Iw =1:1 .5)とした3種類の試料( 単電池) を用意し、それを氷点下( −30℃) の冷凍庫内において平均電流密度を0.04A/cm2として実施した発電試験を行った。図7はその発電試験結果を示している。図7において、カーボン粒子( 粉末) 56に対するイオノマー58の質量比率( Iw /Cw)が0.5である試料の発電継続可能時間は90秒、1.0である試料の発電継続可能時間は360秒、1 .5である試料の発電継続可能時間は850秒であった。このように、触媒担持体に対するイオノマー58の質量比率が高くなるほど発電継続可能時間が長くなることを示している。
Furthermore, the present inventors function as a catalyst carrier in the fuel
このことは、イオノマー58の質量割合( Iw /Cw)が0.5以上となるとイオノマー58の割合が多くなり、たとえば図3に示すようにイオノマー58の気孔62が小さく且つ少なくなることから、0℃未満の氷点下において発電によって生成された水Wの多くがイオノマー58を構成する高分子電解質のクラスター内に留まることで凍結が回避されるとともに、酸素を吸着し易いフッ素を含むパーフルオロスルホン酸系高分子電解質を構成するフッ素に酸素が溶解して酸化剤ガス触媒層44内の触媒54へ運ばれるため、たとえ酸化剤ガス触媒層44の気孔62内の凍結に起因する気孔62の閉塞が発生しても、酸素が触媒54へ供給され続けたことを示し、その効果は触媒担持体に対するイオノマー58の質量比率が高くなるほど顕著となることを示している。図8の図表は、図7の平均電流密度0.04A/cm2における単電池の発電継続可能時間に基づいて、平均電流密度0.08A/cm2における単電池の発電継続可能時間を推定した値を示している。この図8の図表に示される値から、前記米国エネルギー省( DOE)が発表した推定した−30℃から50%出力までの目標起動時間の45秒で起動するためには、平均電流密度0.08A/cm2であって、燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44における触媒担持体として機能するカーボン粒子( 粉末) 56に対するイオノマー58の質量比率( Iw /Cw)が0.5以上とすることが必要であることが分かる。
This is because when the mass ratio (Iw / Cw) of the
図7において、−30℃の環境下で850秒もの発電継続可能時間であったことは、電極反応によって生成された水が燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44の気孔62内で凍結しても、電解質膜36やイオノマー58の中で液体状態或いは準液体状態の水の形で存在することにより燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44の気孔62内で凍結しても、プロトン伝導が維持されるとともにイオノマー58内の酸素の高拡散性が維持されていたことを裏付けている。図9は、電解質膜36やイオノマー58内の水の凝固点降下特性を示している。その図9は、電解質膜36や燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44に含まれるイオノマー58中の数nm程度の径を有するクラスター内すなわち半径が数ナノメートル程度の細孔内に存在する水は−30℃のような厳寒の雰囲気下においても凍結し難いことを示しており、上記電解質膜36や燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44のイオノマー58中には、図示しないがそのような数ナノメートルオーダーのクラスター或いは細孔が備えられていると推定される。なお、こうして継続した発電により生成された水は、電解質膜36やイオノマー58中に保持可能な量を超過すると、図3に例示するように、より細孔容積の大きい酸化剤ガス拡散層48で凍結している。
In FIG. 7, the power generation continuation time of 850 seconds in an environment of −30 ° C. indicates that the water generated by the electrode reaction is frozen in the
図10に、触媒担持体であるカーボン粒子56の重量Cw に対するイオノマー58の重量Iw の質量( 重量) 比率( Iw /Cw ) を0.5( Cw :Iw =1:0.5)、1( Cw :Iw =1:1)、1.5( Cw :Iw =1:1 .5)とした燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44の気孔率を水銀圧入法にて測定した結果から求めた、図7の発電試験における電極反応によって生成された水の酸化剤ガス触媒層44の気孔62内での凍結量( 氷の蓄積量mol)の推定結果を示す。図10から明らかなように、質量比率( Iw /Cw ) が0.5である場合は、燃料ガス触媒層42および酸化剤ガス触媒層44の気孔62が水の凍結で閉鎖された直後に発電が停止している。質量比率( Iw /Cw ) が0.5よりも大きい場合は、1.0である場合は、電極反応によって生成された水が酸化剤ガス触媒層44の気孔62内で凍結しても発電が継続しており、イオノマー58の気孔62内で凍結しても、酸素が酸化剤ガス触媒層44を構成するフッ素やイオノマー58に含有された水に溶解して拡散し、触媒54に供給され続けたことを裏付けている。
FIG. 10 shows that the mass (weight) ratio (Iw / Cw) of the weight Iw of the
さらに、イオノマー58内の酸素透過性を裏付けるために、イオノマー58を構成するフッ素系高分子のモデルとしてプロパンおよびフッ化プロパンを用いて、これらの分子と酸素との結合エネルギーについて量子化計算により推定した。図11にはプロパンおよびフッ化プロパンの分子間エネルギー( kJ/mol)を、図12の(a)および(b)にはプロパンおよびフッ化プロパンの分子間力による結合エネルギーから計算した結合距離( Å) をそれぞれ示す。図11の図表に示すように、プロパンとフッ化プロパンとでは、フッ化プロパンの方が分子間力による結合エネルギーが大きい。そして、図12に示すように、分子間力による結合距離は、フッ化プロパンの方が小さい。このことは、フッ素系高分子が酸素を吸着してそれを取り込み易い性質を持つことを示しており、フッ素原子が酸素を運ぶ役目をしていると推定される。このため、フッ素系高分子は、水を入れたときに酸素の溶解度が高くなり、その結果酸素透過量が多くなることが分かる。
Further, in order to support the oxygen permeability in the
ちなみに、図13は、触媒担持体であるカーボン粒子56の重量Cw に対するイオノマー58の重量Iw の質量比率( Iw /Cw ) が0.5を下回る状態を模式的に示している。この場合のイオノマー58は、図3に比較して、相対的に少ない体積となって気孔62が多く且つ大きく形成されるので、氷点下ではその気孔62内で水Wが凍結し、酸素ガスがイオノマー58を通してカーボン粒子56に担持された触媒54へ充分に供給されることも困難となるので、固体高分子形燃料電池16の発電持続可能時間が短くなる。
Incidentally, FIG. 13 schematically shows a state in which the mass ratio (Iw / Cw) of the weight Iw of the
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。 Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following description, parts common to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図14は、固体高分子形燃料電池16の他の実施例の要部を示している。この実施例では、作動による固体高分子形燃料電池16の温度上昇を抑制するために、水などの冷媒を流通させるための冷却剤流通溝50が形成された冷却板52が適宜の位置に介在させられている点で、相違する。
FIG. 14 shows a main part of another embodiment of the polymer
その他、例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。 In addition, although not illustrated, the present invention is implemented with various modifications within a range not departing from the gist thereof.
16:固体高分子形燃料電池
34:単電池
36:電解質膜
38:燃料電極
40:酸化剤電極
44:酸化剤ガス触媒層( 酸化剤電極の触媒層)
54:触媒
56:カーボン粒子( 触媒担持体)
58:イオノマー
16: polymer electrolyte fuel cell 34: single cell 36: electrolyte membrane 38: fuel electrode 40: oxidant electrode 44: oxidant gas catalyst layer (catalyst layer of oxidant electrode)
54: Catalyst 56: Carbon particles (catalyst carrier)
58: Ionomer
Claims (3)
前記酸化剤電極の触媒層において前記触媒担持体に対する前記イオノマーの体積比率は、0.45以上であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 A unit cell in which a solid polymer electrolyte membrane is interposed between a fuel electrode and an oxidizer electrode having a catalyst carrier containing a catalyst and a catalyst layer containing an ionomer on the electrolyte membrane side through a separator. A plurality of polymer electrolyte fuel cells stacked,
In the catalyst layer of the oxidant electrode, the volume ratio of the ionomer to the catalyst carrier is 0.45 or more.
該酸化剤電極の触媒層において該触媒担持体に対する前記イオノマーの質量比率は、0.5以上であることを特徴とする請求項1または2の固体高分子形燃料電池。 In the catalyst layer of the oxidant electrode, the catalyst carrier is carbon particles,
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a mass ratio of the ionomer to the catalyst support in the catalyst layer of the oxidant electrode is 0.5 or more.
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