JP4930241B2 - 燃料電池およびその触媒層を構成する電極粉末 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池およびその触媒層を構成する電極粉末に関する。
燃料電池の一形態として固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子形燃料電池は他の形態の燃料電池と比較して作動温度が低く（−３０℃〜１２０℃程度）、低コスト、コンパクト化が可能なことから、自動車の動力源等として期待されている。
図３に示すように、固体高分子形燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２を主要な構成要素とし、それを、燃料（水素）ガス流路２１を備えたアノード側セパレータ２０および空気（酸素）流路３１を備えたカソード側セパレート３０で挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池１を形成している。膜電極接合体２は、イオン交換膜である固体高分子電解質膜１０の一方側にアノード側の触媒層１３ａとガス拡散層１４ａからなるアノード側電極１５ａを積層し、他方の側にカソード側の触媒層１３ｂとガス拡散層１４ｂからなるカソード側電極５８ｂを積層した構造を持つ。
触媒層１３は、例えば白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末である触媒担持導電体と電解質樹脂とを含む電極粉末からなり、溶媒と共にインク状あるいはペースト状とした前記電極粉末を適宜の基材上に塗布し乾燥させたものを、電解質膜１０にホットプレス等により転写して形成される。ガス拡散層１４にはカーボンペーパーまたはカーボンクロスが主に用いられる。
燃料電池（膜電極接合体）の出力性能は、それらの構成要素の持つ諸物性値に左右されるが、その一つとして触媒層の親水性（水に対する濡れやすさ）が重要なファクターであることが知られている。親水性が低すぎるとプロトンの導通パスが形成できなくなり低加湿時での出力性能が低下し、親水性が高すぎるとフラッティング現象が生じやすくなって高加湿時での出力性能が低下する。そのために、触媒層に適切な親水性を持たせるための研究が行われており、特許文献１には、触媒層に触媒層内のプロトン移動を促す硫酸または燐酸などからなる保水剤を含有させ、少なくとも酸素極側の触媒層を１〜１０（ｍｇ／ｃｍ２）の水分量の保有を可能とした固体高分子型燃料電池が記載されている。また、特許文献２には、触媒金属を担持したカーボンブラック粒子と高分子イオン交換成分（電解質樹脂）とを含む電極触媒層を備えた固体高分子型燃料電池において、前記触媒層を構成するカーボンブラック粒子に、６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上である親水性を持たせることが記載されている。
特開平１０−３３４９２２号公報 特開２００２−１００３６７号公報
上記のように、触媒層の親水性に関わる従来の対策技術は、保水剤のような別物質を添加して親水性を制御する、あるいは触媒担持導電体であるカーボンブラック粒子の水吸着量を制御する等、親水化方法や材料等について個々のケースについて具体的な解決策を求めているのが現状であり、触媒層の親水性を直接的に数値化する定量的な評価指標を持つまでには至っていない。そのために、対策技術の有効性を定量的に説明することが困難であり、親水性をねらった対策技術の有効性の検証については、加湿度などの評価条件を変えて評価することによって定性的に検証するレベルにとどまっている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、触媒層の親水性に関して一般的かつ定量的な評価指標を定め、かつそこから高い出力性能を発揮する数値範囲を見出すとともに、その数値範囲の物性値を持つ燃料電池用の触媒層と、前記触媒層を備えた燃料電池を開示することを課題とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく多くの実験と研究とを行うことにより、水の吸着等温線から求まる水蒸気吸着量は触媒層の親水性に関して定量的な評価指数となりうること、中でも、触媒層を構成する触媒担持導電体と電解質樹脂とを含む電極粉末についての水の吸着等温線から求まる水蒸気吸着量は、評価指数として好適であり、水蒸気吸着量が所定の範囲内のものであれば、その触媒層を備えた燃料電池は、低加湿状態および高加湿状態の双方において高い出力性能を発揮することを知見した。
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、請求項１に係る発明は、電解質膜の両面に触媒層を備えた膜電極接合体を持つ燃料電池であって、前記触媒層を構成する電極粉末は、その水蒸気吸着量が水の吸着等温線から求まる水蒸気分圧０．６での値が５２〜７０ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｇの範囲のものであることを特徴とする燃料電池である。また、請求項２に係る発明は、燃料電池の膜電極接合体における触媒層を構成する電極粉末であって、その水蒸気吸着量が水の吸着等温線から求まる水蒸気分圧０．６での値が５２〜７０ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｇの範囲であることを特徴とする電極粉末である。
本発明によれば、触媒層を構成する前記電極粉末の前記水蒸気吸着量を従来知られた方法により定量的に測定するだけで、触媒層の親水性に関する客観的なデータを得ることができる。そして、本発明の範囲内である前記水蒸気吸着量を持つ触媒層を用いて製造される燃料電池は、低加湿状態および高加湿状態の双方において高い出力性能を発揮することができる。
本発明において、膜電極接合体を構成する電解質膜は、従来の固体高分子型燃料電池の膜電極接合体における電解質膜で用いられている電解質樹脂をそのまま用いることができ、例として、パーフルオロ系高分子電解質または炭化水素系高分子電解質等が挙げられる。
本発明において、触媒層を構成する電極粉末は、電解質樹脂と触媒（例えば白金が例として挙げられるが、これに限らない）を担持した導電性材料（例えばカーボンが例として挙げられる、これに限らない）からなる混合物であり、上記した範囲の水蒸気吸着量を持つことを条件に、燃料電池で一般に用いられるものであってよい。触媒としては、Ｐｔ，ＰｔＣｏ，ＰｔＩｒＣｏ等が例として挙げられる。電解質樹脂は、前記電解質膜を構成する電解質樹脂と同じものであってよく、例として、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社、商標名）を挙げることができる。
本発明において、触媒層を構成する電極粉末の水蒸気吸着量は、水の吸着等温線から求まる水蒸気分圧０．６での値が５２〜７０ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｇの範囲のものである。水蒸気吸着量がこの範囲を外れる電極粉末を用いて触媒層を形成した場合、燃料電池の出力性能は、低加湿状態および高加湿状態の双方またはいずれか一方において低下するので好ましくない。
以下、実施例により本発明を説明する。
(１)表１に示す、触媒担持カーボンである導電性材料と電解質樹脂（Ｎａｆｉｏｎ：商標名）からなる５種類の電極粉末を調整し、テフロンシート上にキャスティングした。乾燥後、テフロンシートからかき取り粉末状態の電極粉末試料を得た。前処理として、その粉末を真空下で１２０℃、８Ｈｒ保持し、吸着水を脱離除去した。その試料を、試料温度を５０℃に制御し、水蒸気分圧を徐々に上げながら圧力変化に伴う試料への水蒸気吸着量を求め、図１に示す水の吸着等温線のグラフを得た。各試料の水蒸気分圧０．６（Ｐ／Ｐｏ）での水蒸気吸着量Ｖａ（ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｇ）を表１に示した。なお、ＳＴＰは標準値であることを示す。また、水蒸気吸着量が直線的に増加する領域の代表点として、水蒸気分圧０．６を選択し、その水蒸気吸着量Ｖａを求めた。
Figure 0004930241
（２）５つの電極粉末を用いて転写基材の上に触媒層を形成し、それを転写法により電解質膜に転写し、拡散層としてカーボンペーパーを積層して、膜電極接合体とした。各膜電極接合体について、同じ条件で発電テストを行った。それぞれについての、低加湿条件および高加湿条件での最大電流密度（Ａ／ｃｍ２ ０．６Ｖ）を測定した。その結果を表２および図２に示した。
Figure 0004930241
（３）図２に示されるように、電極粉末への水蒸気吸着量Ｖａの違いによって、燃料電池が出力する電流密度が異なってくる。しかし、水蒸気吸着量Ｖａと電流密度は相関を有しており、その変化は、電極粉末を構成する電解質樹脂と触媒を担持した導電性材料に依存する値でなく、単に、水蒸気吸着量Ｖａのみに依存している。従って、水の吸着等温線から得られる水蒸気吸着量Ｖａは、燃料電池の出力性能を左右する触媒層の親水性に関して一般的かつ定量的な評価指標として採用できることがわかる。
そして、一般に、燃料電池の出力性能の標準として、電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２ ０．６Ｖ以上であることが求められているところ、表１、表２、および図２から、粉末材料３、４は出力性能の標準を満たしているが、電極粉末１、２および５は、低加湿条件での電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２ ０．６Ｖ以下であり、標準を満たすのに十分な電極粉末とはいえない。従って、電極粉末において、水の吸着等温線から求まる水蒸気分圧０．６での水蒸気吸着量の値が５２〜７０ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｇの範囲のであれば、標準的あるいは標準以上の出力性能を備えた燃料電池（固体高分子型燃料電池）が得られることがわかる。
なお、本発明者らは、電極粉末を構成する触媒担持カーボンである導電性材料の５個の粉末について、上記した電極粉末と同じようにして水の吸着等温線から求まる水蒸気吸着量を計測し、また計測した水蒸気吸着量とそれを用いて製造した燃料電池における電流密度との相関を求めたが、図２に示されるような相関は得られなかった。これは、燃料電池の性能が電極（電極粉末）としての物性によって決まることの証左といえる。
このように、本発明において、燃料電池の性能と相関する電極物性を規定できたことは、今後の開発加速に繋がる大きな貢献となる。
実施例で得られた水の吸着等温線から求まる水蒸気吸着量と水蒸気分圧との関係を示すグラフ。 電極粉末への水蒸気吸着量と電流密度の相関を示すクラフ。 燃料電池の一例を説明するための図。
符号の説明
１…固体高分子形燃料電池、２…膜電極接合体（ＭＥＡ）、１０…固体高分子電解質膜、１３…触媒層、１４…ガス拡散層、２０，３０…セパレータ

Claims (5)

  1. 電解質膜の両面に触媒層を備えた膜電極接合体を持つ燃料電池であって、前記触媒層を構成する電極粉末は、電解質樹脂と触媒を把持した導電性材料からなる混合物であり、その水蒸気吸着量が水の吸着等温線から求まる水蒸気分圧０．６での値が５２〜７０ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｇの範囲のものであることを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項１に記載の燃料電池であって、前記電極粉末は、触媒種がＰｔＣｏまたはＰｔＩｒＣｏのいずれかであり、電解質樹脂／カーボンの質量比が０．７５であることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池であって、発電時の最大電流密度が０．６Ａ／ｃｍ ２ ０．６Ｖ以上であることを特徴とする燃料電池。
  4. 燃料電池の膜電極接合体における触媒層を構成する電極粉末であって、前記電極粉末は電解質樹脂と触媒を把持した導電性材料からなる混合物であり、その水蒸気吸着量が水の吸着等温線から求まる水蒸気分圧０．６での値が５２〜７０ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｇの範囲であることを特徴とする電極粉末。
  5. 請求項４に記載の電極粉末であって、触媒種がＰｔＣｏまたはＰｔＩｒＣｏのいずれかであり、電解質樹脂／カーボンの質量比が０．７５であることを特徴とする電極粉末。
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