JP2013109848A

JP2013109848A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2013109848A
Application number: JP2011251755A
Authority: JP
Inventors: Junji Nakanishi; 淳二中西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-06-06

Abstract

【課題】出力制御に対する応答遅れを抑制することができる燃料電池の触媒層を提供すること。
【解決手段】触媒層１００を有する燃料電池１０は、触媒層１００中の電解質１４０が触媒担持カーボン１３０に網目状に配置されており、この網目状に配置された電解質１４０上に貴金属粒子１１０が担持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の触媒層に関する。

燃料電池には、電気化学反応を促進する触媒として白金が使われている。この白金の量を触媒層の表面積１ｃｍ2当たり０．０１〜０．２ｍｇとし、触媒層の拡散抵抗を４０ｓ／ｍ以下とすることにより、触媒層の拡散抵抗を小さくし、触媒層中の白金（触媒）に多くの反応ガスを供給し、白金の使用量が少なくても、燃料電池の発電性能を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２５１０８６号公報

上記特許文献１に記載の技術は、燃料電池の発電性能を向上させることについて考慮されているが、コンデンサ成分（電気二重層容量）については考慮されていない。

より詳細には、図４に示すように、上記特許文献１に記載の燃料電池の触媒層は、触媒担持カーボン全体にアイオノマーが被覆されているため、図５に示すように、触媒担持カーボン表面全体がコンデンサ成分となる。このように触媒担持カーボン表面全体にコンデンサ成分が生じるため、燃料電池は、図６に示すように出力制御に対して応答遅れが発生するという問題が生じていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力制御に対する応答遅れを抑制することができる燃料電池の触媒層を提供することにある。

本発明は、触媒層を有する燃料電池であって、触媒層中の電解質が触媒担持カーボンに網目状に配置されており、この網目状に配置される電解質上に触媒が担持されるものである。触媒は、例えば、網目状に配置された電解質の交点に担持される。

このように構成した場合、白金が担持されていない部分で、かつ、触媒担持カーボンに網目状に担持された電解質の面積分のみがコンデンサ成分となるため、出力制御に対する応答遅れを抑制することができる。

本発明によると、出力制御に対する応答遅れを抑制することができる燃料電池の触媒層を提供できる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の触媒層近傍の構造を模式的に示す図である。同実施の形態に係る触媒層の触媒粒子表面を拡大して示す説明図である。同実施の形態に係る出力制御に対する応答の状態を示す図である。従来技術に係る燃料電池の触媒層近傍の構造を模式的に示す図である。従来技術に係る触媒層の触媒粒子表面を拡大して示す説明図である。従来技術に係る出力制御に対する応答の状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、燃料電池の触媒層近傍の構造を模式的に示す説明図である。燃料電池１０は、触媒層１００と、電解質膜２００と、ガス拡散層３００と、を備える。触媒層１００は、触媒粒子１１０と電解質１４０と、を備える。触媒粒子１１０は、貴金属粒子１２０と、触媒担持カーボン１３０と、を備える。貴金属粒子１２０は、触媒として機能する。本実施の形態では、貴金属粒子１２０の材料として、白金を用いる。なお、貴金属粒子１２０の材料として、白金と他の貴金属との合金を用いることも可能である。触媒担持カーボン１３０としては、例えば、カーボンブラックを用いることが可能である。

電解質１４０として、例えばフッ素系樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーや、非フッ素系樹脂であるのＢＰＳＨ（ポリアリーレンエーテルスルホン酸共重合体）などを有するプロトン伝導性のイオン交換樹脂などを用いることが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーやＢＰＳＨは、スルホン酸基を備えている。すなわち、これらの樹脂は、イオン性を有しており、「アイオノマー（イオン＋ポリマー）」とも呼ばれる。以下、電解質１４０を「アイオノマー１４０」と称する。

電解質膜２００として、アイオノマー１４０を用いて形成した膜を用いることが可能である。この場合、電解質膜２００の成分と、アイオノマー１４０の成分とは、ほぼ同じであってもよい。また、電解質膜２００のイオン交換等量とアイオノマー１４０のイオン交換等量とを異ならせてもよい。また、アイオノマー１４０以外の、他のプロトン伝導性のイオン交換樹脂などを用いて膜を形成してもよい。

ガス拡散層３００としては、例えば、不織布により形成されたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。また、ガス拡散層３００として、樹脂製や金属製の多孔体を用いることも可能である。

図１に示すように、触媒担持カーボン１３０上にアイオノマー１４０が網目状に被覆されており、網目状に被覆されたアイオノマー１４０の交点には白金１２０が配置されている。

図２は、触媒層１００の触媒粒子表面を拡大して示す説明図である。同図に示すように、触媒担持カーボン１３０の表面上のコンデンサ成分は、白金１２０が存在しない部分で、かつ、触媒担持カーボン１３０に網目状に配置されたアイオノマー１４０の面積分のみとなる。

したがって、本実施の形態における触媒担持カーボン１３０は、上記面積分のみがコンデンサ成分となるため、図５に示す従来技術における触媒担持カーボンの表面上において白金が存在しない部分以外全てがコンデンサ成分となる構成と比較して、コンデンサ成分となる表面積を大幅に小さくすることができる。

図３は、燃料電池１０の出力制御に対する応答の状態を示す図であり、横軸は時間（ｔ）、縦軸は出力（Ｗ）である。既述のように本実施の形態においては、触媒担持カーボン１３０のコンデンサ成分となる表面積が従来技術と比較して大幅に小さくなっているため、同図に示すように、出力制御に対する応答が、図６に示す従来技術の出力制御と比較して速くなっている。

次に、燃料電池１０の触媒層１００の製造方法について説明する。

先ず、例えば、カーボン担体（例えば、Vulcan）にジェットミルで解砕しながら、酸素プラズマを照射する。これにより、カーボン担体の表面に網目状の傷が形成される。

次に、このように網目状の傷が形成されたカーボン担体で白金を担持する。白金を担持した場合、カーボン担体の表面に形成された網目状の傷の部分と白金との接触面積が大きくなるため、当該傷の部分に選択的に白金が担持される。特に、網目状に形成された傷の交点となる部分は、白金との接触面積が大きいため白金が担持され易くなる。以下、触媒層１００の製造方法の説明において、白金が担持されたカーボン担体を「白金担持カーボン」と称する。

次に、白金担持カーボンとアイオノマーとを混練し、インクを作成する。

次に、このように作成したインクを遠心分離機により遠心分離を行ない、余剰のアイオノマーと白金担持カーボンとを分離する。つまり、白金担持カーボンの傷が形成されていない部分はアイオノマーとの接触面積が小さいためアイオノマー１４０が分離し易いことを利用して余剰のアイオノマーを白金担持カーボンから分離する。

これにより、アイオノマーは、白金担持カーボンとの接触面積が大きい網目状の傷の部分に残留し易くなる。このような工程を経て燃料電池１０の触媒層１００に用いられる既述の触媒層１００が製造される。

以上説明した燃料電池１０の触媒層１００によると、アイオノマー１４０が触媒担持カーボン１３０に形成された網目状の傷の部分に配置されており、このアイオノマー１４０上に、より詳細には、網目状の傷に配置されたアイオノマー１４０と接触するように触媒担持カーボン１３０上に白金が担持されている。したがって、触媒粒子１１０は、白金が存在しない部分で、かつ、触媒担持カーボン１３０に網目状に担持されたアイオノマー１４０の面積分のみがコンデンサ成分となるため、燃料電池１０の出力制御に対する応答遅れを抑制することができる。

１０・・・燃料電池
１００・・・触媒層
１１０・・・触媒粒子
１２０・・・貴金属粒子（白金）
１３０・・・触媒担持カーボン
１４０・・・電解質（アイオノマー）
２００・・・電解質膜
３００・・・ガス拡散層

Claims

触媒層を有する燃料電池であって、
前記触媒層中の電解質が触媒担持カーボンに網目状に配置されており、
前記電解質上に触媒が担持される、
燃料電池。