JP6631462B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。
固体高分子型燃料電池で用いられる電解質では加湿することで電解質中を水（Ｈ2Ｏ）がキャリヤとなってプロトン（Ｈ+）をアノードからカソードに移動させ、カソードでプロトン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）が反応して水（Ｈ2Ｏ）を生成する。このため、固体高分子型燃料電池は、電解質中に水が存在可能な温度域、すなわち１００℃未満でしか使用できない。
このように燃料電池の動作温度が低いと電極で用いられるＰｔ触媒の活性が低くなり、発電性能を維持するためにＰｔ量の増加を招く。また、燃料電池を冷却するための大型のラジエータや、電解質膜を湿度コントロールするためのユニットも必要となる。これらの要因により固体高分子型燃料電池ではコストアップを避けることができない。このため、１００℃以上の動作温度で電解質を加湿せずに発電する燃料電池が提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
S. Y. Lee, A. Ogawa, M. Kanno, H. Nakamoto, T. Yasuda, and M. Watanabe, 'Nonhumidified intermediate temperature fuel cells using protic ionic liquids.', J Am Chem Soc. 2010, 132(28), 9764-9773
T. Kasuga, M. Oka and A. Obata, 'An Anhydrous Proton-Conducting Material Prepared by Hybridizing Zinc Phosphate Glass with Imidazole', Electrochem. Solid-State Lett. 2009, 12, B5
しかしながら、上記非特許文献１、２のように１００℃以上の動作温度で電解質を加湿せずに燃料電池を動作させる場合には、１００℃以上で電解質を加湿して燃料電池を動作させる場合に比べて、開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）が低くなる。具体的には、電解質を加湿した場合には、ＯＣＶが０．９Ｖ以上となるのに対し、電解質を加湿しない場合には、ＯＣＶが０．９Ｖを下回る。
燃料電池の発電性能は「電圧」×「電流」で表され、この積が大きいほど発電性能が高くなる。ＯＣＶは「電流」ゼロにおける「電圧」であるため、発電時の「電圧」はＯＣＶ以上にはなり得ない。このため、発電時の「電圧」を高くするにはＯＣＶを高くする必要がある。
本発明は上記点に鑑み、１００℃以上の動作温度で電解質を加湿せずに運転する燃料電池のＯＣＶを高くすることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、アノード極（１２０）と、カソード極（１３０）と、これらに挟まれた電解質（１１０）とを備え、１００℃以上の動作温度で電解質を加湿することなく運転する燃料電池の製造方法であって、カソード極は、少なくともＰｔ触媒および疎水性バインダを含んだ触媒層（１３１）を有しており、燃料電池の運転前に、アノード極に水素を供給しながらカソード極に加湿空気を所定時間供給し、Ｐｔ触媒を酸化させる酸化処理を行う。
これにより、カソード極の触媒層に含まれるＰｔ触媒の酸化度合を意図的に制御することができる。この結果、燃料電池を１００℃以上で運転したときのＯＣＶを効果的に向上させることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示す燃料電池セル１００は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気中の酸素）との電気化学反応を利用して電気エネルギーを出力する。燃料電池セル１００を基本単位とし、複数枚積層したスタック構造として使用することができる。
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示す燃料電池セル１００は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気中の酸素）との電気化学反応を利用して電気エネルギーを出力する。燃料電池セル１００を基本単位とし、複数枚積層したスタック構造として使用することができる。
図１に示すように、燃料電池セル１００は、電解質膜１１０、アノード極１２０、カソード極１３０を備えている。アノード極１２０に水素が供給され、カソード極１３０に空気が供給されると、以下に示すように、水素と酸素とが電気化学反応して、電気エネルギーを出力する。
（アノード極側） Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（カソード極側） ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
この際、アノード極１２０では、水素が触媒反応によって電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）に電離され、プロトン（Ｈ+）は電解質膜１１０を移動する。一方、カソード極１３０では、アノード極１２０側から移動してきたプロトン（Ｈ+）、外部から流通してきた電子、および空気中の酸素（Ｏ2）が反応して、水が生成される。
（カソード極側） ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
この際、アノード極１２０では、水素が触媒反応によって電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）に電離され、プロトン（Ｈ+）は電解質膜１１０を移動する。一方、カソード極１３０では、アノード極１２０側から移動してきたプロトン（Ｈ+）、外部から流通してきた電子、および空気中の酸素（Ｏ2）が反応して、水が生成される。
本実施形態の燃料電池セル１００は、１００℃以上の動作温度で電解質膜１１０を加湿することなく発電が行われる。つまり、燃料電池セル１００の運転中には、カソード極１３０に乾燥空気が供給されるようになっている。
電解質膜１１０は、金属イオン、オキソアニオン及びプロトン配位性分子を含んだプロトン伝導体で構成されている。プロトン伝導体は、オキソアニオン及びプロトン配位性分子の少なくとも何れかが金属イオンに配位して配位高分子を形成している。
プロトン伝導体に含まれる金属イオンは特に限定されるものではないが、オキソアニオン及び／又はプロトン配位性分子との配位結合の形成しやすさの観点から、高周期の遷移金属イオンや典型金属イオンが好ましい。中でも、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、及びガリウムイオンが好ましい。本実施形態の電解質膜１１０では、金属イオンとして亜鉛イオンを用いている。
プロトン伝導体に含まれるオキソアニオンとしては、例えば、リン酸イオン、硫酸イオン等が挙げられるが、水素に対する化学的安定性からリン酸イオンが好ましい。本実施形態の電解質膜１１０では、オキソアニオンとしてリン酸イオンを用いている。
プロトン伝導体に含まれるプロトン配位性分子は、分子内にプロトンを配位するための配位点を好ましくは２つ以上持った分子である。イオン伝導性の観点から、プロトンの配位と放出とのバランスに優れた配位点を持ったイミダゾール、トリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンズトリアゾール、及びこれらの誘導体が好ましい。本実施形態の電解質膜１１０では、プロトン配位性分子としてトリアゾールを用いている。
アノード極１２０は、電解質膜１１０のアノード側の面に密着して配置されたアノード側触媒層１２１と、アノード側触媒層１２１の外側に配置されたアノード側拡散層１２２によって構成されている。
カソード極１３０は、電解質膜１１０のカソード側の面に密着して配置されたカソード側触媒層１３１と、カソード側触媒層１３１の外側に配置されたカソード側拡散層１３２によって構成されている。
各触媒層１２１、１３１は、カーボン担体に電気化学反応を促進するＰｔ触媒を担持させたＰｔ担持カーボンで形成されている。各拡散層１２２、１３２は、カーボンクロス等で形成されている。
触媒層１２１、１３１のＰｔ担持カーボンは、カーボン担体と、カーボン担体に担持されたＰｔ粒子とからなる。本実施形態では、粒径２ｎｍ程度のＰｔ粒子を用いている。カーボン担体は、カーボンブラックと呼ばれる炭素微粉末を用いることができる。カーボン担体の表面に、Ｐｔ粒子からなるＰｔ触媒が担持されている。各触媒層１２１、１３１を構成するＰｔ担持カーボンは、バインダによって接着されている。バインダは、プロトン伝導性を備えている。
本実施形態では、触媒層１２１、１３１のバインダとして疎水性バインダを用いている。疎水性バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリイミド、フェノール樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミダゾール、ポリプロピレン等を用いることができる。本実施形態では、触媒層１２１、１３１のバインダとして、ポリフッ化ビニリデンを用いている。
ところで、「Viktoriia A. Saveleva, Vasiliki Papaefthimiou, Maria K. Daletou, Won H. Doh, Corinne Ulhaq-Bouillet, Morgane Diebold, Spyridon Zafeiratos, and Elena R. Savinova J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (29), pp 15930・15940」において、カソード側のＰｔ触媒の酸化度合が高いほど、燃料電池のＯＣＶが高くなることが報告されている。この文献では、酸化されたＰｔのうち、Ｐｔ2+はＯＣＶを向上させ、Ｐｔ4+はＯＣＶを低下させることが報告されている。
このため、本実施形態では、燃料電池セル１００の運転開始前にカソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化処理を行う。カソード側触媒層１３１に疎水性バインダを用いる本実施形態では、Ｐｔ触媒の酸化処理として、カソード極１３０に加湿空気を所定時間供給する加湿処理を行う。この加湿処理を行うことで、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化を促進することができる。
加湿処理は、カソード極１３０に正の電位がかかった状態で行う。つまり、アノード極１２０に水素を供給しながらカソード極１３０に加湿空気を供給し、燃料電池セル１００に起電力が発生した状態とする。このとき、アノード極１２０およびカソード極１３０には電気負荷を接続せず、燃料電池セル１００の出力電流値をゼロとし、カソード極１３０の電位がＯＣＶの状態とする。また、本実施形態の加湿処理は、燃料電池セル１００を１００℃以上にした状態で行っている。
次に、加湿処理を行う前、加湿処理中、加湿処理を行った後の燃料電池セル１００のＯＣＶについて説明する。なお、本実施形態および後述する各実施形態で燃料電池セル１００に供給される水素はアルゴンとの混合ガスであり、水素濃度３．８％としている。また、アノード極１２０およびカソード極１３０への供給ガスの流量は、６０ＳＣＣＭとしている。また、燃料電池セル１００の温度調整は、燃料電池セル１００を恒温槽に収納して行った。
まず、加湿処理を行う前の室温での燃料電池セル１００のＯＣＶを図２に基づいて説明する。図２における「１回目」と「２回目」はアノード極１２０およびカソード極１３０へのガスの供給が連続的に行われており、これらはＯＣＶの連続的な変化を示している。
図２に示すように、燃料電池セル１００の温度を室温としてアノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給した場合には、ＯＣＶが０．８７Ｖ程度から徐々に上昇し、約１３時間経過後に０．９７Ｖまで上昇した。
次に、加湿処理中の燃料電池セル１００のＯＣＶを図３に基づいて説明する。図３は、アノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給した状態で、燃料電池セル１００の温度を室温から１２０℃にした場合のＯＣＶと、燃料電池セル１００の温度を１２０℃としてカソード極１３０に加湿空気を供給した場合のＯＣＶを示している。カソード極１３０への加湿空気の供給は、加湿空気の相対湿度を２．１％とした場合と、加湿空気の相対湿度を２．８％とした場合と、加湿空気の相対湿度を４．０％とした場合の３パターンで行った。
図３に示すように、室温でアノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給した状態で、室温から１２０℃にした場合は、ＯＣＶが０．９Ｖを下回った後、徐々に上昇したものの、０．８６Ｖまでしか上昇しなかった。
次に、燃料電池セル１００の温度を１２０℃としてアノード極１２０への供給ガスは水素のままで、カソード極１３０への供給ガスを乾燥空気から加湿空気に切り替えた。カソード極１３０への加湿空気の供給は２．５時間程度行った。図３に示すように、カソード極１３０への加湿空気を供給した場合は、加湿空気の相対湿度２．１％、２．８％、４．０％のそれぞれにおいて、ＯＣＶが０．８５Ｖ程度まで上昇した。
次に、加湿処理を行った後の燃料電池セル１００のＯＣＶを図４に基づいて説明する。図４は、カソード極１３０に相対湿度４．０％の加湿空気を所定時間供給した後に、乾燥空気を供給した場合のＯＣＶを示している。燃料電池セル１００の温度は１２０℃のままとし、カソード極１３０への乾燥空気の供給は１９時間程度行った。
図４に示すように、加湿処理を行った後、カソード極１３０に乾燥空気を供給した場合には、ＯＣＶが概ね０．９Ｖを上回っており、約１９時間経過後には０．９１Ｖまで上昇した。これは、加湿処理によってカソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化度合が高くなったことに起因してＯＣＶが高くなったものと考えられる。
次に、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化度合と燃料電池セル１００のＯＣＶとの関係について説明する。ここでは、上述した加湿処理によるＰｔ触媒の酸化処理を行った燃料電池セル１００に対し、カソード極１３０に水素を供給してカソード側触媒層１３１のＰｔ触媒を還元させた後で、再度カソード極１３０に乾燥空気を供給することを行った。
まず、アノード極１２０およびカソード極１３０への供給ガスの種類を変更した場合の燃料電池セル１００のＯＣＶについて図５、図６を用いて説明する。
図５に示す第１段階から第５段階の順にアノード極１２０およびカソード極１３０への供給ガスを変更した。第１段階では、燃料電池セル１００で発電を行うため、アノード極１２０に水素、カソード極１３０に乾燥空気を供給した。第２段階では、供給ガスの入れ替えのため、アノード極１２０およびカソード極１３０に窒素を供給した。第３段階では、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒を還元させるため、アノード極１２０に窒素、カソード極１３０に水素を供給した。第４段階では、供給ガスの入れ替えのため、アノード極１２０およびカソード極１３０に窒素を供給した。第５段階では、燃料電池セル１００で発電を行うため、アノード極１２０に水素、カソード極１３０に乾燥空気を供給した。
図６に示すように、第１段階では、加湿処理を行った後の燃料電池セル１００によって、０．９Ｖ以上のＯＣＶが得られた。第２段階では、ＯＣＶが０．８Ｖを下回った。第３段階では、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の還元処理が行われており、ＯＣＶが０Ｖを下回った。第４段階では、ＯＣＶが０Ｖ程度となった。第５段階では、ＯＣＶが０．７Ｖ程度までしか上昇しなかった。つまり、第３段階でカソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の還元処理を行った後は、還元処理を行う前（すなわち、第１段階）よりもＯＣＶが低くなった。これは、還元処理を行うことによってＰｔ触媒の酸化度合が低下したことに起因するものと考えられる。
次に、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の還元処理を行う前後のＰｔ触媒の酸化度合を図７、図８を用いて説明する。ここでは、図５、図６で説明した第１段階、第３段階、第５段階の各段階におけるカソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化度合を測定した。第１段階はＰｔ触媒に加湿空気を供給した状態であり、第３段階はＰｔ触媒に水素を供給した状態であり、第５段階はＰｔ触媒に水素を供給し、さらに乾燥空気を供給した状態である。
図７は、ＸＰＳ（Ｘ線光電分光法）によってカソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化状態を分析した結果を示している。図７に示すように、ＸＰＳスペクトルでは、Ｐｔ４ｆ5/2とＰｔ４ｆ7/2の２つのピークが現れる。これらのうちＰｔ４ｆ7/2のピークに着目すると、第１段階（加湿空気供給後）、第５段階（乾燥空気供給後）、第３段階（水素供給後）の順にピークエネルギー位置が高エネルギー側にシフトしており、酸化が進行していることを示している。
図８は、図７のＰｔ４ｆ7/2スペクトルから求めた第１段階、第３段階、第５段階の各段階におけるＰｔの価数別存在割合を示している。図８に示すように、第３段階（水素供給後）では、金属Ｐｔが９４．７ａｔ％であり、Ｐｔ2+が３．７ａｔ％であった。第５段階（乾燥空気供給後）では、金属Ｐｔが８７．３ａｔ％であり、Ｐｔ2+が１１．８ａｔ％であった。第１段階（加湿空気供給後）では、金属Ｐｔが８２．０ａｔ％であり、Ｐｔ2+が１６．４ａｔ％であった。また、Ｐｔ4+の存在割合は、各段階でほとんど変化しなかった。
図８に示すように、加湿空気供給後の第１段階でＰｔ2+の存在割合が最も高くなっており、水素供給後の第３段階でＰｔ2+の存在割合が大幅に低下している。乾燥空気供給後の第５段階でＰｔ2+の存在割合が増加するものの、第１段階でのＰｔ2+の存在割合よりも低くなっている。つまり、本実施形態の加湿処理を行うことで、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒におけるＰｔ2+の存在割合を大きくすることができる。
図８で示した各段階におけるＰｔ2+の存在割合と、図６で示した各段階での燃料電池セル１００のＯＣＶから、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒におけるＰｔ2+の存在割合が高いほど、燃料電池セル１００のＯＣＶが高くなっていることがわかる。また、図８に示す結果から、本実施形態の燃料電池セル１００においては、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒におけるＰｔ2+の存在割合が１５ａｔ％以上である場合に、ＯＣＶを０．９Ｖ以上にする効果が得られるものと考えられる。このため、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒におけるＰｔ2+の存在割合が１５ａｔ％以上とすることが望ましい。
以上説明した本実施形態では、動作温度が１００℃以上で電解質膜１１０を加湿することなく運転する燃料電池において、カソード側触媒層１３１に疎水性バインダを用い、燃料電池セル１００の運転前にカソード極１３０に対して加湿処理を行っている。これにより、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化度合を意図的に制御する酸化処理を行うことができ、燃料電池セル１００を１００℃以上にして無加湿で運転したときのＯＣＶを効果的に向上させることができる。
また、本実施形態では、加湿処理を１００℃以上で行っている。これにより、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化処理に要する時間を短くでき、加湿処理を効率的に行うことができる。
また、本実施形態では、相対湿度４．０％の加湿空気を用いた加湿処理を行うことで、燃料電池セル１００のＯＣＶを充分高くする効果を得ることができた。このため、加湿処理に用いる加湿空気の相対湿度は５％以下であればよい。
また、本実施形態では、加湿処理を２．５時間程度行うことで、燃料電池セル１００のＯＣＶを充分高くする効果を得ることができた。このため、加湿処理を行う時間は３時間以下であればよい。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態に対し、カソード側触媒層１３１で用いられるバインダの種類およびＰｔ触媒の酸化処理の内容が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態に対し、カソード側触媒層１３１で用いられるバインダの種類およびＰｔ触媒の酸化処理の内容が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本第２実施形態の燃料電池セル１００では、カソード極１３０のカソード側触媒層１３１において、親水性バインダを用いている。親水性バインダとしては、例えばＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）およびＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）の混合物、エチルセルロース、メチルセチロース、ＰＶＣＡ（塩化ビニル酢酸ビニルコポリマー）、ＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等を用いることができる。本第２実施形態では、カソード極１３０のカソード側触媒層１３１のバインダとしてＳＢＲおよびＣＭＣの混合物を用いている。
本第２実施形態では、燃料電池セル１００の運転開始前に、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化処理として、アノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を所定時間供給することを行っている。この酸化処理を行うことで、カソード側触媒層１３１に含まれるＰｔ触媒の酸化を促進することができる。
本第２実施形態におけるＰｔ触媒の酸化処理は、アノード極１２０に水素を供給しながらカソード極１３０に乾燥空気を供給し、カソード極１３０に正の電位がかかった状態とすることで行われる。このとき、アノード極１２０およびカソード極１３０には電気負荷を接続せず、燃料電池セル１００の出力電流値をゼロとし、カソード極１３０の電位がＯＣＶの状態とする。また、本実施形態の酸化処理は、燃料電池セル１００を１００℃以上にした状態で行っている。
次に、本第２実施形態の燃料電池セル１００で酸化処理を行った場合の燃料電池セル１００のＯＣＶについて説明する。図９は、燃料電池セル１００の温度を室温としてアノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給した場合の燃料電池セル１００のＯＣＶを示し、図１０は、供給ガスを変更せずに燃料電池セル１００の温度を室温から１２０℃にした場合の燃料電池セル１００のＯＣＶを示している。なお、図１０における「１回目」、「２回目」、「３回目」はガスの供給が連続的に行われており、これらはＯＣＶの連続的な変化を示している。
図９に示すように、燃料電池セル１００の温度を室温にしてアノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給した場合には、ＯＣＶが概ね０．９Ｖを上回っている。
図１０に示すように、アノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給しながら、燃料電池セル１００の温度を室温から１２０℃にした場合には、一旦ＯＣＶが０．８３Ｖを下回った後、徐々に上昇する傾向を示した。そして、約２９時間を経過した時点でＯＣＶが０．９Ｖを上回り、約３５時間経過後に０．９１Ｖ程度まで上昇した。
以上説明した本第２実施形態によれば、動作温度が１００℃以上で電解質膜１１０を加湿することなく運転する燃料電池において、カソード側触媒層１３１に親水性バインダを用い、燃料電池セル１００の運転前にカソード極１３０に乾燥空気を所定時間供給する酸化処理を行っている。これにより、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化度合を意図的に制御することができ、燃料電池セル１００を１００℃以上にして無加湿で運転したときのＯＣＶを効果的に向上させることができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態では、上記第２実施形態に対し、カソード側触媒層１３１で用いられる親水性バインダの種類が異なっている。以下、上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態では、上記第２実施形態に対し、カソード側触媒層１３１で用いられる親水性バインダの種類が異なっている。以下、上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本第３実施形態の燃料電池セル１００では、カソード極１３０のカソード側触媒層１３１において、親水性バインダを用いている。本第３実施形態では、カソード側触媒層１３１のバインダとしてエチルセルロースを用いている。
本第３実施形態においても、上記第２実施形態と同様、燃料電池セル１００の運転開始前に、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒の酸化処理として、アノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を所定時間供給することを行っている。
次に、本第３実施形態の燃料電池セル１００で酸化処理を行った場合の燃料電池セル１００のＯＣＶについて説明する。図１１は、燃料電池セル１００の温度を室温としてアノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給した場合の燃料電池セル１００のＯＣＶを示し、図１２は、供給ガスを変更せずに燃料電池セル１００の温度を室温から１００℃にした場合の燃料電池セル１００のＯＣＶを示している。図１３は、供給ガスを変更せずに燃料電池セル１００の温度を１００℃→１１０℃→１２０℃に変化させた場合の燃料電池セル１００のＯＣＶを示している。
図１１に示すように、燃料電池セル１００の温度を室温としてアノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給した場合には、ＯＣＶが概ね０．９Ｖを上回っている。
図１２に示すように、アノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給しながら、燃料電池セル１００の温度を室温から１００℃にした場合には、一旦ＯＣＶが０．９２５Ｖを下回った後、０．９３５Ｖ程度まで上昇した。
図１３に示すように、アノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に乾燥空気を供給しながら、１００℃→１１０℃→１２０℃に変化させた場合には、ＯＣＶが徐々に低下した。具体的には、１００℃から１１０℃に変化させると、ＯＣＶが０．９３５Ｖ程度から０．９１５Ｖ程度まで低下したところで安定した。１１０℃から１２０℃に変化させると、ＯＣＶが０．９１５Ｖ程度から０．９Ｖ以下まで低下し、その後も低下傾向を示した。これは、親水性バインダとして用いたエチルセルロースが熱分解し始めたことに起因するものと考えられる。
以上説明した本第３実施形態によれば、動作温度が１００℃以上で電解質膜１１０を加湿することなく運転する燃料電池において、カソード側触媒層１３１に親水性バインダを用い、燃料電池セル１００の運転前にカソード極１３０に乾燥空気を所定時間供給する酸化処理を行っている。これにより、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができた。
また、本第３実施形態のように、カソード側触媒層１３１の親水性バインダとしてエチルセルロースを用いた場合には、酸化処理を行う際の燃料電池セル１００の温度を１００〜１１０℃とすることが望ましい。
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
例えば、上記各実施形態では、電解質膜１１０として配位高分子を用いた例について説明したが、電解質膜１１０の種類はこれに限定されるものではなく、電解質膜１１０は燃料電池セル１００を１００℃以上で運転可能なものであればよい。
また、上記第１実施形態では、カソード側触媒層１３１に疎水性バインダを用いた構成において、カソード極１３０に加湿空気を供給する加湿処理を１００℃以上で行うようにしたが、加湿処理に要する時間が長くなるが加湿処理を１００℃未満で行ってもよい。
また、上記各実施形態では、燃料電池セル１００の温度を室温としてアノード極１２０に水素を供給し、カソード極１３０に空気を供給した後、燃料電池セル１００の１００℃以上にするように構成したが、室温でのガスの供給を省略してもよい。
また、上記各実施形態では、カソード触媒層１３１のＰｔ触媒として粒径２ｎｍ程度のＰｔ粒子を用いたが、Ｐｔ粒子の粒径はこれに限定されるものではない。例えば、カソード触媒層１３１のＰｔ触媒の粒径を大きくした場合には、カソード側触媒層１３１のＰｔ触媒におけるＰｔ2+の存在割合が１５ａｔ％未満であっても、ＯＣＶを０．９Ｖ以上にする効果が得られるものと考えられる。
また、上記各実施形態では、カソード触媒層１３１において、Ｐｔ触媒をカーボン担体に担持させるように構成したが、Ｐｔ触媒を担持させる担体としてカーボン以外の材料を用いてもよい。
１００ 燃料電池セル
１１０ 電解質膜
１２０ アノード極
１３０ カソード極
１３１ カソード側触媒層
１１０ 電解質膜
１２０ アノード極
１３０ カソード極
１３１ カソード側触媒層
Claims (7)
- アノード極（１２０）と、カソード極（１３０）と、これらに挟まれた電解質（１１０）とを備え、１００℃以上の動作温度で前記電解質を加湿することなく運転する燃料電池の製造方法であって、
前記カソード極は、少なくともＰｔ触媒および疎水性バインダを含んだ触媒層（１３１）を有しており、
前記燃料電池の運転前に、前記アノード極に水素を供給しながら前記カソード極に加湿空気を所定時間供給し、前記Ｐｔ触媒を酸化させる酸化処理を行う燃料電池の製造方法。 - 前記酸化処理は、前記燃料電池の温度を１００℃以上にして行われる請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記酸化処理の後、前記Ｐｔ触媒におけるＰｔ2+の存在割合が１５ａｔ％以上となっている請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法。
- アノード極（１２０）と、カソード極（１３０）と、これらに挟まれた電解質（１１０）とを備え、１００℃以上の動作温度で前記電解質を加湿することなく運転する燃料電池であって、
前記カソード極は、少なくともＰｔ触媒および疎水性バインダを含んだ触媒層（１３１）を有しており、
前記Ｐｔ触媒におけるＰｔ2+の存在割合が１５ａｔ％以上である燃料電池。 - アノード極（１２０）と、カソード極（１３０）と、これらに挟まれた電解質（１１０）とを備え、１００℃以上の動作温度で前記電解質を加湿することなく運転する燃料電池の製造方法であって、
前記カソード極は、少なくともＰｔ触媒および親水性バインダを含んだ触媒層（１３１）を有しており、
前記燃料電池の運転前に、前記燃料電池の温度を１００℃以上にして前記アノード極に水素を供給しながら前記カソード極に乾燥空気を所定時間供給し、前記Ｐｔ触媒を酸化させる酸化処理を行う燃料電池の製造方法。 - 前記親水性バインダは、スチレンブタジエンゴムおよびカルボキシメチルセルロースの混合物である請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記親水性バインダは、エチルセルロースである請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
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