JP3619826B2 - 燃料電池用電極及び燃料電池 - Google Patents
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Description
以下、本発明の一適用例である固体高分子型燃料電池のセルユニットについて説明する。なお、本発明の主な特徴はセル構成にあるので、まず固体高分子型燃料電池の基本構成を説明し、次にセル構成について詳細に説明する。
図1は、かかる本実施の形態の固体高分子型燃料電池を構成するセルユニット10の組立図である。本図に示すように、セルユニット10は全体として、カソード側チャネルプレート60とアノード側チャネルプレート50との間にセル20を配した構成を持つ。
固体高分子膜21は、パーフルオロカーボンスルホン酸などのフッ素系陽イオン交換樹脂(例えばDuPont社製Nafion112)からなる電解質膜であり、x方向幅7cm×y方向長さ7cm×z方向厚さ約50μm)である。
ここでは実施の形態のセル20の作製方法を説明する。電極22、23は同様の構成で作製するが、本発明はこのうち少なくとも一方の電極に適用すればよい。
このような燃料電池において、その稼働時にはアノード側には改質ガス、カソード側には空気が供給される。そしてガス拡散層25を介し、アノード23側に供給される改質ガス(水素ガス)中の水素はプロトン(H2→2H++2e-)となり、固体高分子膜21中をカソード22側へ移動する。一方、ガス拡散層24を介してカソード22側に供給されるカソードガス中の酸素は酸素イオン(1/2O2+2e-→O2-)となり、固体高分子膜21中を移動してきたプロトンと化合して水を生じる(2H++O2-→H2O)。この化学反応機構(発電反応)によって生成する水、ならびに改質ガスや空気とともに供給された加湿水によって、固体高分子膜21は湿潤状態になり、その内部抵抗が低下して導電性を呈する。
次に、上記実施の形態のセルを実施例として作製する方法を説明する。その後作製した実施例について性能評価実験を行い、実験結果を検討する。
実施例の作製方法は上記1-3で述べた方法とする。また、比較例としては以下の作製方法とする。ここでは実施例の電極の作製方法を示し、これ以外は実施例と同様に行う。
また、触媒担持カーボン:樹脂被覆カーボンの重量比を1:0.3、樹脂被膜カーボンにおけるカーボン:樹脂の重量比を1:0.8に固定すると共に、触媒担持カーボンの平均粒径を55nmとして樹脂被覆カーボンの平均粒径を10nm〜67nmの範囲で変化させたものを作製し、表3に示す実施例15〜23とする。
燃料電池セルを以下の条件で運転し、触媒担持カーボンと樹脂被覆カーボンの混合比が電圧─電流密度特性に及ぼす影響について調べる。
<運転条件>
・アノードガス;水素ガス(1気圧、加湿温度80%)
・カソードガス;空気(1気圧、加湿温度76%)
・アノードガス利用率;50%
・カソードガス利用率;40%
・燃料電池稼働温度;80℃
当該実験結果を図3にまとめた。
本実験2は、燃料電池セルの電流密度を500mA/cm2に保ちつつ、これ以外を実験1の運転条件とほぼ同様の条件で行って測定する。
本実験3は、燃料電池セルの電流密度を500mA/cm2に保ちつつ、これ以外は実験1の運転条件とほぼ同様の条件で行って測定する。
表1から明らかなように、実施例1〜5ではいずれも電流密度の値に関わらず比較例より高い電圧値を呈することが示された。このことは、実施例の電極において三相界面が豊富に確保され、これによって発電効率が改善されたものと考えられる。
上記実施の形態および実施例では、イオン交換樹脂としてパーフルオロスルホン酸(Nafion)を用いる例を示したが、本発明は当然ながらこれに限定するものではなく、プロトン伝導性を有するものであればこれ以外のイオン交換樹脂であってもよい。
20…セル
21…固体高分子膜
22…カソード(触媒層)
23…アノード(触媒層)
24、25…ガス拡散層(集電体)
221…樹脂被覆カーボン
222…触媒担持カーボン
2221…カーボン粒子
2222…触媒(白金)粒子
Claims (7)
- イオン交換樹脂が被覆され、少なくとも導電性を有する第一の粒子と、
イオン交換樹脂が被覆されてなく、少なくとも触媒作用と導電性とを有する第二の粒子と、
を含むことを特徴とする燃料電池用電極。 - アノード及びカソードを電解質の両側に配したセルを備える燃料電池において、
アノード及びカソードの少なくとも一方が、
イオン交換樹脂が被覆され、少なくとも導電性を有する第一の粒子と、
イオン交換樹脂が被覆されてなく、少なくとも触媒作用と導電性とを有する第二の粒子と、
を含むことを特徴とする燃料電池。 - 前記第二の粒子に対する前記第一の粒子の重量比が、0.1〜0.6であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。
- 前記第一の粒子を構成する導電材料に対する前記イオン交換樹脂の重量比が、0.2〜1.6であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記第一の粒子を構成する導電材料が、前記第二の粒子を構成する導電材料の0.2〜1.0倍の平均粒径を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池。
- 請求項2乃至5のいずれかに記載の燃料電池において、
前記電解質は固体高分子からなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 - 前記固体高分子及び前記イオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂からなることを特徴とする請求項6記載の固体高分子形燃料電池。
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