JP5224674B2 - 燃料電池及び燃料電池発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池発電システムに関する。
燃料電池は、反応ガスである燃料と酸化剤とを供給して電気化学的反応を生じさせ、これにより直流電力を発電するものであり、その反応部は電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極とを備えた構成になっている。固体高分子形燃料電池においては、電解質膜として、高分子電解質膜例えばパーフルオロスルホン酸系のイオン交換膜が用いられ、アノード電極及びカソード電極の触媒としては、例えばPt(白金)の微粒子が用いられ、この微粒子をカーボンブラック等の粒子に担持させることによりそれぞれ触媒層を形成するのが一般的である。
前記電解質膜と両電極との接合体(MEAと称する)は、燃料電池の重要な構成部材であり、このMEAの耐久性を向上させることが燃料電池を長持ちさせることに繋がるので、重要な問題になっている。なかでも、前記高分子電解質膜の場合は、膜厚が50〜200μm程度と極薄であるために劣化が与える影響が大きい。例えば高分子電解質膜にアノード側からカソード側へと貫通したピンホールが生じると、前記反応ガスが高分子電解質膜の反対側へクロスリークしてしまい、発電性能を著しく低下させるのみならず、燃料である水素と酸化剤である酸素とが直接燃焼を起こすと爆発、熱暴走等の危険な状態を招くことになる。
高分子電解質膜の劣化は、熱サイクル、乾湿サイクルなどによる高分子電解質膜自身の膨張・収縮、又はガス拡散層の繊維の食い込み、クリープ現象などによる厚み減少等の物理的要因のほかに、水素と酸素の副生成物である過酸化水素による酸化劣化等の化学的要因が挙げられる。
このため、例えば物理的強度を上げるために、補強材としてイオン交換体ポリマーを含浸させた高分子電解質膜を使用し、或はイオン交換体ポリマーの構造を変えて化学的安定性を向上させるといった改良が行われている。又、別の対策としては、例えば生成した過酸化水素を分解する触媒(過酸化物分解触媒)をMEA内に配置し、高分子電解質膜を過酸化水素から保護するといったものもある(特許文献1)。
一方、MEAの他の劣化現象として、燃料電池特に固体高分子形燃料電池の連続発電運転、起動/停止運転を長時間行うと、アノード、カソード両触媒層においてPt触媒が溶解・再析出することが知られている。電位変動、高電位保持、触媒層に入っているイオン交換体の酸性雰囲気などの影響によりPtの溶解が起こる。溶解したPt(Ptイオン)の一部は触媒層内のイオン交換体の中に、又一部はPt表面上で再析出して触媒が肥大化し、触媒有効反応面積の減少を招く。このPt溶解現象は主にカソード側で顕著であるが、一部アノード側でも見受けられる。
又、溶解したPtの一部は、イオン交換体や細孔内などを移動して高分子電解質膜中に達する。この移動したPtは、還元されて高分子電解質膜内に多数の粒子状態で両電極面に対して平行に且つ帯状に析出することが一般に知られている。析出する場所は、現在のところ燃料ガスと酸化剤ガスの組成、湿度、流量及び高分子電解質膜の性質などによって決定されると考えられている。このような現象は、正式名称はないものの一般的には「Ptバンド」などと呼ばれており、カソード電極の近傍で良く観察されている。
上記「Ptバンド」が燃料電池に与える影響については、様々なメカニズムが考えられるが、その一つとして高分子電解質膜に析出したPt上で、透過してきた水素と酸素が直接燃焼反応を起こし、その結果生成する反応物や熱によって高分子電解質膜又はイオン交換体が劣化するという現象が考えられる。
一般的に、水素と酸素の燃焼反応においては、次式(1)に示すような反応が起こって生成物として水が得られるが、一部が次式(2)に示すように副反応として過酸化水素を生成し、この過酸化水素が高分子電解質膜を劣化させると考えられる。
式(1) H+1/2O→H
式(2) H+O→H
上記の反応式により、実際に発電運転を行った燃料電池において、高分子電解質膜が劣化することが確認されている。そして、実際に発電を行った電池スタックを解体して検証を行った結果、高分子電解質膜の劣化と反応ガス流れ方向との相関性が認められた。又、高分子電解質膜の劣化は、特に反応ガス入口側で顕著であることが判明した。
特表2005−538508
上記の検証により、特に反応ガスの入口側における高分子電解質膜の劣化、即ちPtの溶出を抑える必要があり、本発明者らはこの対策としてPtを溶解させる電位変動に着目した。本発明において添加する物質は、電気化学的な酸化還元電位がPtよりも卑であるため、電位変動によりPtが溶解しないようにPtの身代わりとして溶解する。
そこで、本発明は、触媒層に含まれるPtの溶解を抑えることにより高分子電解質膜の劣化を防ぎ、長期にわたって所望の発電性能を維持することができる耐久性の優れた燃料電池、及び燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
この目的を達成するための手段として、本発明に係る請求項1は、高分子電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極が設けられた燃料電池において、前記アノード電極、カソード電極の少なくとも一方は、Ptを含み、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、およびイリジウム−パラジウム合金粒子を含まない触媒層と、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、またはイリジウム−パラジウム合金粒子のうちいずれかを添加した添加物塗布部又は、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、およびイリジウム−パラジウム合金粒子のうちいずれかとPtを含む触媒を混合した添加物塗布部とを含み、この添加物塗布部は、前記触媒層に反応ガスの入口側から30〜70%の領域に塗布により積層されていることを特徴とする。
本発明に係る請求項は、上記の燃料電池を組み込んだ燃料電池発電システムを特徴とする。
上記請求項1の発明によれば、燃料電池におけるPtを含むアノード電極又は/及びカソード電極にPtを含み、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、およびイリジウム−パラジウム合金粒子を含まない触媒層と、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、またはイリジウム−パラジウム合金粒子のうちいずれかを添加した添加物塗布部又は、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、およびイリジウム−パラジウム合金粒子のうちいずれかとPtを含む触媒を混合した添加物塗布部とを含み、この添加物塗布部は、前記触媒層に反応ガスの入口側から30〜70%の領域に塗布により積層されていることにより、触媒層中のPtの溶出を抑えることができ、高分子電解質膜の劣化を効率良く抑えることができると共に、金属粒子等添加物の使用量を抑えることができる。これにより、MEAの劣化現象を抑えて燃料電池の発電性能を維持すると共に、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
上記請求項の発明によれば、上記の燃料電池を燃料電池発電システムに組み込むことにより、長期使用に対して安定した発電性能が得られると共に、燃料電池が長持ちすることから燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態に付いて説明する。先ず本発明を実施するに際しての燃料電池の基本的な形態を添付図面に基づいて説明する。
図1は、参考例における燃料電池の単セルの基本構造を模式的に示す概略断面図であり、特に特徴を有する単セルの端部を表している。
図1において、1は単セルであり、アノード電極2とカソード電極3、及びこれら両電極2,3に挟持された高分子電解質膜4とからなるMEA5を、セパレータ6、7とで挟持して構成される。セパレータ6は、片面にアノード電極2へ燃料を供給するガス流路6aが形成され、セパレータ7は片面にカソード電極3に酸化剤を供給するガス流路7aが形成されている。セパレータ6、7は両面に流路を設けたバイポーラ型セパレータ(図略)が用いられることがある。この単セル1は単独では発電電圧が低いため、所要の電圧が得られるように多数の単セル1を積層一体化することによって電池スタック(図略)が形成される。
上記アノード電極2は電極基材2aとその片面に形成されたアノード触媒層2bからなり、カソード電極3は電極基材3aとその片面に形成されたカソード触媒層3bとから構成されている。アノード電極2は、カソード電極3とほぼ同じ大きさ、又は図1に示すように端部にせん断応力が掛かるのを回避するためアノード電極2の方を大きくすることが好ましい。又、通常アノード電極2のアノード触媒層2bと、カソード電極3のカソード触媒層3bとはいずれも触媒としてPtを含んでいるが、少なくともいずれか一方が触媒としてPtを含むものとする。
8はガスケットであり、高分子電解質膜4の外周部全体を両側から挟持した状態でセパレータ6、7間に介在され、反応ガス(燃料と酸化剤)が単セル1の外部へ漏れるのを防ぐと共に、燃料がカソード電極3側へ或は酸化剤がアノード電極2側へとクロスオーバーしないように構成してある。即ち、ガスケット8は反応ガス遮蔽性及び単セル1を固定する機能を有する。このガスケット8の位置ずれを防止するために各セパレータ6、7にガスケット用の溝があってもよい。
[電極基材の構成]
前記アノード電極2の電極基材2a及びカソード電極3の電極基材3aは、供給される反応ガスのうち燃料をアノード触媒層2bに、酸化剤をカソード触媒層3bに供給するガス拡散機能を有し、即ちガス拡散層を構成するものである。又、発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能及び生成した水を排出する機能を有する。このため、アノード側電極基材2a及びカソード側電極基材3aは、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えばカーボンペーパー、カーボン不織布又はカーボンクロスなどが適している。カソード側電極基材3aは、撥水処理を行うことにより、生成水や加湿運転時における凝縮水によってカソード側電極基材3a内部で水が詰まってガス流通経路が阻害されるのを抑制することができる。アノード側電極基材2aも、撥水処理を行うことにより同様の効果を得ることができる。又、上記電極基材2a、3aは粒径10nm〜1μm程度のカーボン粒子を水、アルコール類などの溶媒、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(フッ化エチレンプロピレン)などのフッ素系樹脂を混合撹拌し、バーコータ法、ロールコータ法などにより片面又は両面に塗布し、180℃〜400℃の間で乾燥・熱処理してもよい。この塗布層はマイクロポーラスレイヤ層、MPL層などと呼ばれている。片面のみにMPL層を有する電極基材において、一般的にはMPL層を塗布した側、つまりMPL層に対し更に上塗りをするのが好ましい。
[セパレータの構成]
前記セパレータ6、7は、カーボン素材に熱硬化性樹脂を超音波減圧法で浸透させ、熱処理をすることにより作製した。ガス不透過性を有するカーボンや、チタン、SUSなどの金属製又はこれらの表面に金スパッタ、金メッキなどにより導電性、耐腐食性を向上させたものがセパレータとして使用されるのが一般的である。前記のようにセパレータ6、7は燃料ガス、酸化剤ガスが流れるためのガス流路6a、7aを有しており、これらのガス流路6a、7aを通ってMEA5への加湿反応ガスを供給すると共に、カソード電極3により生成した水の排出を行う。反応ガス流路の流路パターンには様々なものがあり、例えガス流路(1本又は隣接する複数本)が蛇行状に設けられたサーペンタイン型のもの(図7)、又は複数の直線状流路が並行して設けられた並行型のもの(図略)などが挙げられる。又、これらの組み合わせ方として、アノード側ガス流路とカソード側ガス流路がMEAを挟んで鏡合わせのように対向位置に設けられたものがよく使われている。反応ガスの流れ方向としては、燃料ガス、酸化剤ガスを互いに同方向にした並行流と、互いに異方向にした対向流とがある。
[アノード電極の作製工程]
前記アノード電極2の触媒は、水素酸化を促進する金属微粒子であり、且つ燃料が改質ガスの場合に一酸化炭素に対する耐被毒特性を有するもので、粒径は約10〜300Å程度の白金−ルテニウム合金が使用されるのが一般的である。この触媒はカーボン粒子等の担体に担持させた方が金属微粒子の凝集が起こり難く、又触媒反応面積が増加するため有効である。一般的には、白金−ルテニウム担持カーボン触媒などと呼ばれている。前記アノード触媒層2bを電極基材2aに形成させるには、白金−ルテニウム担持カーボン触媒を水、或はエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、酢酸エチル、1−ブタノールなどの有機溶媒を1種類以上含む混合溶媒に入れて混合撹拌し、触媒スラリを作製する。ここで、撥水性を持たせるために前記PTFE、FEPなどを混合し、又触媒中をプロトン(H)が移動しやすいようにNafion(商標名:Dupont社製)溶液などのイオン交換体を混合することが好ましい。作製した触媒スラリは、スクリーン印刷法により電極基材2aに塗布するが、このほか転写法、ダイコータ、スプレーなどを用いて塗布してもよい。又、アノード触媒層2bを形成する他の方法としては、例えば高分子電解質膜4に直接スクリーン印刷法、転写法、或は触媒を溶媒に溶かしてスプレーで塗布するなどの方法でもよい。触媒を塗布する領域は、電極基材2aが高分子電解質膜4に接する面の全域とする。
[カソード電極の作製工程]
前記カソード電極3の触媒は、酸素還元を促進する金属微粒子を用い、その粒径は通常10〜300Åである。多くの場合白金粒子が用いられる。この触媒はカーボン粒子等の担体に担持させた方が金属微粒子の凝集が起こり難く、又触媒反応面積が増加するため有効であり、一般的には白金担持カーボン触媒などと呼ばれている。カソード触媒層3bを電極基材3aに形成させるには、白金担持カーボン触媒を水、或はエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、酢酸エチル、1−ブタノールなどの有機溶媒を1種類以上含む混合溶媒に入れて混合撹拌し、触媒スラリを作製する。ここで、撥水性を持たせるために前記PTFE、FEPなどを混合し、又触媒中をプロトン(H)が移動しやすいようにNafion溶液などのイオン交換体を混合することが好ましい。作製した触媒スラリは、スクリーン印刷法により電極基材3aに塗布するが、このほか転写法、ダイコータ、スプレーなどを用いて塗布してもよい。又、カソード触媒層3bを形成する他の方法としては、例えば高分子電解質膜4に直接スクリーン印刷法、転写法、或は触媒を溶媒に溶かしてスプレーで塗布するなどの方法でもよい。触媒を塗布する領域は、電極基材3aが高分子電解質膜4に接する面の全域とする。
[MEA及び単セルの作製工程]
各電極基材2a、3aに塗布された触媒スラリは、60〜200℃の恒温槽内で乾燥させるが、20〜200℃での真空乾燥でもよく、又これらの組み合わせでもよい。この時、アノード側触媒スラリとカソード側触媒スラリの乾燥温度、乾燥時間、真空度などの乾燥条件は異なってもよいが、工数削減を考慮して同じ乾燥条件にて同時に行うことが望ましい。このようにして形成したアノード電極2、カソード電極3と高分子電解質膜4は、アノード触媒層2bとカソード触媒層3bが高分子電解質膜4を挟んで対向するように配置し、例えばホットプレス法により加熱圧着させる。この時、高分子電解質膜4の遷移温度にもよるが、110〜180℃、1〜10MPaの圧力で加熱圧着することが好ましく、更には130〜160℃、3〜8MPaの圧力で加熱圧縮することがより一層好ましい。
又、アノード触媒層2b、カソード触媒層3bを塗布した高分子電解質膜4と電極基材2a、3aとを接合する場合も、ホットプレス法で加熱圧着させることが望ましいが、常温での圧着や接着剤による接着でもよい。作製したMEA5は、前記のガスケット8が高分子電解質膜4の外周部全周を挟み込むように各セパレータ6、7で挟着し、一定圧力で締め付けて単セル1を形成する。
以上は本発明を実施するための基本構造であり、次に本発明に係る実施形態について説明する。本実施形態において、特に記載の無い限りは上記単セル1の構成に準ずるものとする。
参考例1]
図2は、燃料電池の参考例1を示す概略断面図である。本参考例1では、特徴を有するカソード触媒層3bAの作成方法を中心に記述する。粒径2〜50nm、好ましくは3〜10nmのパラジウム粉末を、平均粒径3nm程度の白金担持カーボン触媒(Johnson Matthey社製)、PTFE、Nafion分散溶液(20wt%:和光純薬(株)製)と、水或はエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、酢酸エチル、1−ブタノールなどの有機溶媒を1種類以上含む混合溶媒に入れて混合撹拌し、カソード触媒スラリを作製する。酸化パラジウムと白金とNafionとの重量比が0.1:1:1となるように加える。
作製したカソード触媒スラリを、スクリーン印刷法を用いてガス拡散層の機能を発揮する電極基材3aに白金が1mgPt/cmとなるように印刷する。印刷後、130℃で1時間乾燥処理を行う。こうして作製したカソード電極3Aと、前記基本構造に記載のアノード電極2を、Nafion・N−112からなる高分子電解質膜4を挟み込むように配置した後、ホットプレス法により130℃、5.0MPaで加熱圧着する。
作製したMEA5Aを用いて単セルを形成し、連続耐久試験を行った。この耐久試験は、単セルの温度が70℃、燃料として改質模擬ガス(COが10ppm/COが20%/Hbalance)、酸化剤として空気をそれぞれ70℃加湿で供給し、0.2A/cmの電流をとって燃料利用率が80%、空気利用率が50%となるように調整して行った。反応ガスの流れは互いに並行流で、前記サーペンタイン型のセパレータ6、7を使用した。これによると、MEA5Aの途中までの作製方法は前記と同じで、基本構造の単
セル1を作製し、前記と同じ運転条件にて比較耐久試験を行ったところ、パラジウム粉末を添加したカソード触媒層3bAを有する参考形態の単セルは、基本構造の単セル1と比較して耐久性は2.4倍に向上した。
[実施例2]
図3は、本発明に係る燃料電池の第2実施形態を示す概略断面図である。本実施形態では、特徴を有するアノード、カソードの両電極の作製方法を中心に記述する。
<アノード電極の作製方法>
前記電極基材2aにアノード触媒としてPt−Ru合金担持カーボン触媒を、基本構造に記載の方法にて混合した触媒スラリを塗布し、乾燥処理を行う。その後、平均粒径10nmの酸化イリジウム粒子をNafion溶液及び水、或はエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、酢酸エチル、1−ブタノールなどの有機溶媒を1種類以上含む混合溶媒に分散させた後、更に超音波処理を5分間行って分散状態を良くする。この分散溶液中に、Pt−Ru合金担持カーボン触媒を一緒に混合しても良い。アノード触媒層2bBの表面のうち、燃料ガス出口側に配置する側を予め決めてPTFEシートでマスクし、マスクしていない面に対して前記触媒分散溶液を約1μmの厚みとなるようにスプレーにより塗布する。その後、80℃にて乾燥処理を行った。PTFEシートでマスクしない領域(スプレー塗布する領域)は、全表面の50%が良いが、30〜70%の範囲内でも良い(図8参照)。本実施例では、正方形のアノード触媒層2bBに上記スプレー塗布処理を行うが、アノード電極面を上にして置き、PTFEシートでマスクしない領域内を塗布した。又、マスクする位置は上記のように行ったが、基本的にはガス流路パターンとガス流れ方向に依存する。
<カソード電極の作製方法>
カソード電極は基本構造と同様の製法で触媒スラリを作製し、この触媒スラリを塗布し、乾燥処理を行う。その後、平均粒径10nmの酸化イリジウム粒子をNafion溶液及び水、或はエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、酢酸エチル、1−ブタノールなどの有機溶媒を1種類以上含む混合溶媒に分散させ、更に超音波処理を5分間行って分散状態を良くする。この分散溶液中に、Pt担持カーボン触媒を一緒に混合してよい。前記と同様にスプレー法を用いてカソード触媒層3bBの表面のうち、酸化剤ガス出口側に配置する側を予め決めてPTFEシートでマスクし、マスクしていない面に対して前記触媒分散溶液を約1μmの厚みとなるようにスプレーにより塗布する。その後、80℃にて乾燥処理を行った。この場合も、PTFEシートでマスクしない領域(スプレー塗布する領域)は、全表面の50%が良いが、30〜70%の範囲内でも良い。
作製したアノード電極、カソード電極をそれぞれ上記酸化イリジウムが存在する面が対向する位置に、又酸化イリジウムが存在しない面同士が対向する位置となるようにして高分子電解質膜4を挟み、ホットプレス法により加熱圧着してMEA5Bを形成する。そして、このMEA5Bを前記セパレータ6、7で挟着して単セルを構成する。この時、酸化イリジウム粒子を含む溶液を塗布した添加物塗布部9が、燃料ガスと酸化剤ガスの両ガスの入口側にそれぞれ位置するように配置し、マスクした側即ち酸化イリジウム粒子をスプレー塗布しなかった部分が両ガスの出口側にそれぞれ位置するように配置する。この場合、燃料ガスの流れ方向と、酸化剤ガスの流れ方向とは同方向の並行流となっている。
前記参考例1と同条件にて連続耐久試験を行ったところ、基本構造の単セル1と比較して約2.3倍の耐久性向上が確認された。
[実施例3]
図4は、本発明に係る燃料電池の第3実施形態を示す概略断面図である。本実施形態では、前記実施例2と基本的な構成は同じであり、サーペンタイン型の流路パターンを有するセパレータ6、7が用いられているが、燃料ガスの流れ方向と、酸化剤ガスの流れ方向とは異方向の対向流となっている点が実施例2とは異なっている。図4では左右方向の対向流となっているが、上下方向の対向流例えば燃料ガスを下から上に、酸化剤ガスを上から下に供給する対向流とすることができる。この時、酸化イリジウムを塗布した添加物塗布部9Cは、燃料ガスの入口側と酸化剤ガスの出口側にそれぞれ位置するように配置する。
前記参考例1と同条件にて連続耐久試験を行ったところ、基本構造の単セル1と比較して約2.2倍の耐久性向上が確認された。
参考例4]
図5は、参考例4を示す概略断面図である。本参考例4におけるカソード電極の作製方法について説明する。合金比率が1:1である、平均粒径3〜50nmのイリジウム−パラジウム合金粒子を、平均粒径3nm程度の白金担持カーボン触媒(Johnson
Matthey社製)、PTFE、Nafion分散溶液(20wt%:和光純薬(株)製)と、水或はエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、酢酸エチル、1−ブタノールなどの有機溶媒を少なくとも1種類以上含む溶媒を入れて混合撹拌し、カソード触媒スラリを作製する。イリジウム−パラジウム合金粒子と白金とNafionの重量比が、0.05:1:1となるように加える。
上記作製したスラリを、スクリーン印刷法を用いてカソードガス拡散基材3aにPtが1mgPt/cmとなるように全表面に印刷する。印刷後、電極は130℃で1時間乾燥処理を行う。この場合、添加物塗布部9Cはカソード触媒層3bC側のみである。作製したカソード電極を用いて基本構造に倣って単セルを作製し、実施例1と同条件で連続耐久試験を行ったところ、基本構造の単セル1と比較して約2.3倍の耐久性向上が確認された。
本実施形態では、イリジウム−パラジウム合金粒子を用いた例を説明したが、この他に例えば銀、銅、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、パラジウムのうち1種類以上を用いた合金粒子を用いて実施することが可能である。
[参考例5]
図6は、参考例5を示す概略断面図である。参考例5におけるアノード電極の作製方法について説明する。電極基材2aにアノード触媒としてPt−Ru合金担持カーボン触媒を、前記基本構造に記載の方法にて混合したスラリを塗布し、乾燥処理を行った。その後、平均粒径10nmのロジウム粒子をケッチェンブラック(ライオン(株)製)に担持させたロジウム担持カーボンを、Nafion分散溶液(20wt%:和光純薬(株)製)と一緒に水或はエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、酢酸エチル、1−ブタノールなどの有機溶媒を少なくとも1種類以上含む混合溶媒に分散させた後、更に超音波処理を5分間行うことにより分散性を良くする。この分散溶液中に、Pt−Ru合金担持カーボン粒子を加えても良い。
こうして出来た溶液を、スプレー法を用いてアノード触媒層2bDの表面のうち、燃料ガス燃料ガス出口側に配置する側を決めてPTFEシートでマスクし、マスクしていない領域に対して約1μmの厚みとなるようにスプレー塗布する。スプレー塗布する領域は全表面積の50%が良いが、30〜70%の範囲でも良い。この場合、添加物塗布部9Dはアノード触媒層2bD側のみである。
参考例5では、正方形のアノード触媒層2bDに上記スプレー処理を行うが、アノード電極面を上面にして置き、全面のうち半分をPTFEシートで隠して残り半分に塗布した。尚、本実施形態では、マスクする位置は上記のように行ったが、基本的には流路パターンとガス流れ方向(対向流)に依存し、燃料ガスを供給する側つまりは燃料ガスの入口側から50%とする。その後、80℃にて乾燥処理を行った。作製したアノード電極を用いて、基本構造に倣って単セルを作製し、参考例5と同条件にて連続耐久試験を行ったところ、基本構造の単セル1と比較して約1.5倍の耐久性向上が確認された。反応ガスの流れ方向は、対向流である。
本発明に係る燃料電池は、燃料電池発電システムの燃料電池として組み込んで使用することができ、長期使用に対して安定した発電性能が得られると共に、燃料電池が長持ちすることから燃料電池発電システムの信頼性を高めることができる。
本発明は、燃料電池に適用すると長期使用に対して安定した発電性能が得られ、又この燃料電池を燃料電池発電システムに組み込んで適用すると、長期にわたって高性能を発揮し、燃料電池発電システムの信頼性を高めることができる。
料電池の単セルの基本構造を模式的に示す概略断面図である。 参考例1に係る燃料電池の概略断面図である。 本発明に係る燃料電池の第2実施形態を示す概略断面図である。 本発明に係る燃料電池の第3実施形態を示す概略断面図である。 参考例4に係る燃料電池の概略断面図である。 参考例5に係る燃料電池の概略断面図である。 セパレータの流路パターン例を示す説明図である。 参考例1、参考例4、参考例5及び本発明の第〜第実施形態に係る添加物の実施面積と、電池寿命との相関性を示すグラフである。
符号の説明
1 単セル
2 アノード電極
2a 電極基材
2b アノード触媒層
3 カソード電極
3a 電極基材
3b カソード触媒層
4 高分子電解質膜
5 MEA
6、7 セパレータ
6a、7a ガス流路
8 ガスケット
9 添加物塗布部

Claims (2)

  1. 高分子電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極が設けられた燃料電池において、前記アノード電極、カソード電極の少なくとも一方は、Ptを含み、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、およびイリジウム−パラジウム合金粒子を含まない触媒層と、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、またはイリジウム−パラジウム合金粒子のうちいずれかを添加した添加物塗布部又は、パラジウム粒子、酸化イリジウム粒子、およびイリジウム−パラジウム合金粒子のうちいずれかとPtを含む触媒を混合した添加物塗布部とを含み、この添加物塗布部は、前記触媒層に反応ガスの入口側から30〜70%の領域に塗布により積層されていることを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項1に記載の燃料電池を組み込んだことを特徴とする燃料電池発電システム。
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