JP3331703B2 - 燃料電池 - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
化に対しても安定した出力が可能な燃料電池に関する。
した固体高分子よりなる電解質膜とこの電解質膜を挟ん
で設けられた燃料極と空気極とで構成されている。この
燃料極および空気極は、燃料ガスおよび空気などの酸素
を含有するガスをそれぞれ電極反応させる触媒層と燃料
ガスおよび空気などの酸素を含有するガスの触媒層への
供給路ならびに集電体としての機能するガス拡散層との
2層構造となっている。この燃料電池では、燃料極側で
の電極反応により生成した水素イオンが水分子と一緒に
電解質(以下、単に「電解質」とは、電解質膜と触媒層
中の電解質との双方を言い、「電解質膜」「触媒層中の
電解質」とは区別する。)内を空気極側へ浸透してい
く。この電解質内で水分子が一方向へ移動するため、燃
料電池内部では厚さ方向に含水率に勾配が生ずる。すな
わち、電池の燃料極側では水が水素イオンと共に移動し
て含水率が低下するとともに、空気極側では移動してく
る水により含水率が高まる。さらに空気極では電極反応
で生成された水で触媒表面に水膜が形成され、拡散経路
が閉塞状態(フラッディング)となりやすい。この結
果、空気極側の触媒表面への反応ガスである空気の供給
が著しく阻害されて電極反応が抑制されて電池性能が低
下する。
ンブラック)に疎水性バインダー粒子(フッ素樹脂粉
末)を混合し、これをホットプレスして多孔質状に作製
されている。このガス拡散層は、強度確保などの制約上
比較的厚く(約200〜400μm)せざるをえない上
に、ガス拡散層内のフッ素樹脂による疎水孔の形態は殆
ど制御されていない。このため、空気極内に存在する液
体水が少ないときは、液体水は滴状に分散保持され電極
への通気性は良いが、電極反応の進行に伴い、発生水が
増加するため、生成した液体水による拡散経路の閉塞
(フラッディング)現象がおこりやすくなり触媒層の通
気性の確保が難しくなる。また、上記のガス拡散層内の
給/排水が十分なされていないため生成する液体水によ
り電極破壊や触媒の水陥没による電池性能の低下を誘発
することもあった。
成水などを適宜排出して触媒の水陥没を防ぎ、燃料極側
のガス拡散層は水を速やかに電解質側に供給して電解質
の含水率の低下を防ぐ性能を有する燃料電池とすること
が望まれている。
解質型燃料電池では、電解質内部の含水率を均一に保持
した状態で運転するのが望ましい。また空気極では電極
反応による生成水による触媒のフラッディングが起こり
やすいので、排水を促進するような構成の電極とするの
が好ましい。
ので、燃料極側および空気極側に形成するガス拡散層の
給/排水性を向上させ、電池内各部の含水率を適正に保
持することにより高性能な高分子電解質型の燃料電池と
することを目的とする。
は、固体高分子よりなる電解質膜と該電解質膜の両側に
配置した燃料極と空気極とよりなり、該空気極は、該電
解質膜面に面接して配置された触媒層と該電解質膜とは
反対側の該触媒層に配置されたガス拡散層とよりなり、
該燃料極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒層
をもつ燃料電池において、上記空気極の該ガス拡散層
は、該触媒層側ほど疎水性が高くなるように疎水性に傾
斜を設けたことを特徴とする。
りなる電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と
空気極とよりなり、該燃料極は、該電解質膜面に面接し
て配置された触媒層と該電解質膜とは反対側の該触媒層
に配置されたガス拡散層とよりなり、該空気極は、該電
解質膜面に面接して配置された触媒層をもつ燃料電池に
おいて、上記燃料極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど
疎水性が低くなるように疎水性に傾斜を設けたことを特
徴とする。
りなる電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と
空気極とよりなり、該燃料極および該空気極は、該電解
質膜面に面接して配置された触媒層と該電解質膜とは反
対側の該触媒層に配置されたガス拡散層とよりなる燃料
電池において、上記空気極の該ガス拡散層は、該触媒層
側ほど疎水性が高くなるように疎水性に傾斜を設け、上
記燃料極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が低
くなるように疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする。
電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と空気極
とよりなり、該燃料極および該空気極は、電解質膜に面
接した触媒層と触媒層に面接し電解質膜から離れた側に
配置したガス拡散層とより構成されている。電解質膜と
しては水素イオンを透過させる電解質特性を示す高分子
膜が使用できる。触媒層は供給される燃料および空気を
それぞれ電極反応する触媒金属(たとえば、白金類)、
電子伝導性材料(カーボンなど)および電解質(触媒層
中の電解質)を混合して形成されたものであれば良く、
フッ素樹脂などの疎水化材を付加し多孔質としたものを
含む。
触媒金属により水素イオンを生成する成分を含むものが
使用でき、たとえば水素ガス、メタンガス、石油などの
炭化水素系の燃料系のガスが使用できる。この燃料ガス
は、水分を含んだものもまた水で改質した上記燃料ガス
も使用できる。また、空気極に供給される空気などの酸
素を含有するガスは少なくとも酸素を含み触媒層の触媒
金属により水素イオンと反応して水が生成できるもので
あれば他の成分を含んでいても良い。
るガス拡散層にある。このガス拡散層は、高いガス透過
性および高電子伝導性を有する疎水性の多孔質体で形成
されている。この多孔質体は、触媒層に接する面側から
厚さ方向に疎水性の傾斜が付与されている。なお、ガス
拡散層は、燃料極、空気極のうちの少なくとも一方に設
ける。
性が低くなるように疎水性に傾斜を設けた多孔質体であ
る。すなわち、触媒層側ほど親水性が高く、ガス拡散層
の水は疎水性の傾斜に基づき電解質側へ浸透して触媒層
を介して電解質の含水率低下を抑制する。この結果、燃
料極側の電解質はガス拡散層からの水の供給を受け含水
率の低下を防ぐことができる。これにより電池内各部の
含水率の分布を適正に保持した状態で運転することがで
きる。
疎水性を高くした疎水性の傾斜が設けられている。この
ためガス拡散層内部では水はより親水性の方向に移行
し、触媒層の生成水が排水されやすくなり触媒のフラッ
ディングが防げ、電池性能の低下を防ぐことができる。
このガス拡散層の疎水性の傾斜は一方の極にのみ設けた
場合でも上記の効果を示すが、電池の両極に上記の疎水
性の傾斜をもつガス拡散層を設けることにより電池性能
をより向上させることができる。
を形成する疎水性粒子および炭素粒子の配合割合を適正
な範囲に選択することで達成される。すなわち、炭素微
粒子に対する疎水性粒子の配合割合を少なくすることで
疎水性が低下する傾斜とすることができる。さらに上記
の配合割合に加えて粒子の粒径を小から大となるような
組合せとするとより排水され易い気孔を形成することが
できる。なお、ガス拡散層内部の疎水孔の気孔は、ガス
透過性と電子伝導性を確保する条件の範囲内で成形条件
などを考慮してできるだけ大きくするのが最善である。
側が疎水性が高くガス導入側が疎水性が低い傾斜となる
ような配合で作製する。一方燃料極側は触媒層に面接す
る側の疎水性を低くしガス導入口側が疎水性が高くなる
ような配合で作製する。これにより液体水が燃料極側で
は電解質側に、空気極側ではガス導入口側に容易に移行
させるガス拡散層を形成することができる。
は、触媒層側が疎水性が低くなっているので、ガス拡散
層内の液体水は疎水性が低くなっている方向、すなわち
より親水性に富む方向に移行して保持され触媒層内およ
び電解質膜に供給される。その結果、通電時の電気浸透
現象によって燃料極側電解質の水素イオンとともに移行
して減少する水が補充でき燃料極側電解質の含水率の低
下が抑制される。このため、水素イオンの電解質内の輸
送特性も向上して高電流域における電池性能が向上す
る。
ほど疎水性が高くなっておりガス導入口側ほど親水性が
高くなっており触媒層での生成水を排水し易い構成とな
っている。このため電極反応により生成する水は疎水性
のより小さい方に移行して容易に排出される。その結
果、広い電流範囲で電極内の液体水の量が適度に保持さ
れる。このため、従来発生していた触媒層でのフラッデ
ィングによるガス拡散疎外が起こりにくくなり、水中陥
没による触媒の失活も抑制できるので電池性能の向上と
触媒使用量の低減に寄与することができる。
ンクロス(日本カーボン株式会社製、GF−20−P
7)に表1に示す各種の粒径および組成の疎水性粒子/
炭素粒子の混合物をペースト状にしたものを刷毛塗りま
たはスプレー法によりA、B、C、Dの4層に重塗りし
乾燥焼成した。ガス拡散層の触媒層から疎水性の高い順
に重ねたもの(A←B←C←D)を空気極のガス拡散層
に使用し、逆の順に重ねたもの(A→B→C→D)を燃
料極のガス拡散層に使用した。
(C)とフッ素樹脂(PTFE)分散溶液(ダイキン工
業株式会社製、PTFE含有量=60%)とを混合して
加圧濾過して調製した。括弧内の数字は炭素および疎水
粒子の平均粒子径を示す。
触媒層(触媒担持炭素と電解質との混合物で形成)、固
体高分子よりなる電解質膜、触媒層、ガス拡散層の順に
密着配置して空気極と燃料極を構成した。燃料極側のガ
ス拡散層を上記の表1の4層で作製し空気極側を従来の
1層のガス拡散層(Bの単層で形成した)としたもの
(a)、空気極側のガス拡散層を上記の表1の4層で作
製し燃料極側のガス拡散層を従来の1層のガス拡散層と
したもの(b)、両極のガス拡散層とも表1の組成の4
層のものを使用したもの(c),両極のガス拡散層と従
来の1層のガス拡散層を用いたもの(d)の4種の電気
化学セルからなる燃料電池を作製して所定の気体を導入
して電池性能を調べた。なお、上記の4種の電池におい
て拡散層厚さ、電解質および触媒層部分は皆同じであ
る。
し、電池出力電圧と電流密度との関係(I−V曲線)を
図1(電流依存性)に、電池出力電圧と通電時間との関
係を図2(定電流モード:1A/cm2 )に示す。図1
のI−V曲線では電流密度が増加するにしたがい、従来
電池dでは出力電圧が急激に低下して電池性能が低下す
る。本実施例のガス拡散層を装着した電池a,b,cで
は出力電圧の低下の度合いが少なく電池性能が向上して
いる。さらに図2に示す様に通電時間が長くなっても出
力電圧は略一定に保持できる。
配により電解質側への水の供給が容易になり電解質の部
分乾燥(燃料極側の含水率の低下)および水素イオン移
動の抵抗増大が抑制できる。電池bではガス拡散層の疎
水性に勾配により触媒層での液体水の排水性が向上して
電流密度が増加しても触媒作用が低下せず出力電圧が保
持できる。
けた電池cでは両効果が期待でき電池性能がより向上し
た。この結果、本実施例の電池では触媒利用率低下およ
び触媒層に導入される空気の拡散速度が低下するのが抑
制でき、電解質膜の含水率も一定に保持でき電池性能が
さらに向上する。さらに図2に示すように高電流域に長
く保持しても電圧低下が小さく安定性が向上し長時間の
運転に耐えることができる。
散層に疎水性の勾配を付与したことにより排水性が良く
なり触媒層のフラッディングによる電池性能劣化が防
げ、電池運転条件を厳しく管理することなくより高い電
流密度で燃料電池を安定に運転することができる。
勾配を上記の空気極とは逆に電解質側を低くしたことで
電解質への給水性を高めることができる。その結果、通
電時の電池内各部は適正な含水率を保持することができ
る。このため、燃料電池を高電流密度でかつ安定に運転
することができる。さらに両電極に上記の疎水性の勾配
を付与したガス拡散層を使用するとにより水の給/排水
に関する不具合が解消でき高性能の燃料電池とすること
ができる。
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
Claims (3)
- 【請求項1】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質
膜の両側に配置した燃料極と空気極とよりなり、該空気
極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒層と該電
解質膜とは反対側の該触媒層に配置されたガス拡散層と
よりなり、該燃料極は、該電解質膜面に面接して配置さ
れた触媒層をもつ燃料電池において、 上記空気極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が
高くなるように疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項2】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質
膜の両側に配置した燃料極と空気極とよりなり、該燃料
極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒層と該電
解質膜とは反対側の該触媒層に配置されたガス拡散層と
よりなり、該空気極は該電解質膜面に面接して配置され
た触媒層をもつ燃料電池において、 上記燃料極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が
低くなるように疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項3】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質
膜の両側に配置した燃料極と空気極とよりなり、該燃料
極および該空気極は、該電解質膜面に面接して配置され
た触媒層と該電解質膜とは反対側の該触媒層に配置され
たガス拡散層とよりなる燃料電池において、 上記空気極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が
高くなるように疎水性に傾斜を設け、上記燃料極の該ガ
ス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が低くなるように疎
水性に傾斜を設けたことを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP27995793A JP3331703B2 (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 燃料電池 |
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-
1993
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