JP6859963B2

JP6859963B2 - レドックスフロー型燃料電池

Info

Publication number: JP6859963B2
Application number: JP2018005887A
Authority: JP
Inventors: 博之川合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: JP2019125509A

Description

本発明は、レドックスフロー型燃料電池に関する。

例えば特許文献１には、レドックスフロー型燃料電池のカソード電極に好ましい材料として、炭素繊維が開示されている。

特表２００９−５３０７８４号公報

しかしながら、上記特許文献にはカソード電極に関して好ましい物性値等は記載されておらず、必ずしも良好は発電性能が得られない場合がある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、発電性能が良好なレドックスフロー型燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられ、燃料ガスが供給されるアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられ、ポリオキソメタレートを含む溶液が供給されるカソード電極と、を備え、前記カソード電極は、少なくとも炭素繊維を含む拡散層を有し、前記拡散層のＢＥＴ法で評価されるＢＥＴ比表面積は、１．５９ｍ^２／ｇ以上であって４．３５ｍ^２／ｇ以下である、レドックスフロー型燃料電池によって達成できる。

本発明によれば、発電性能が良好なレドックスフロー型燃料電池を提供できる。

レドックスフロー型燃料電池を採用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。図２は、ＢＥＴ比表面積が異なるカーボンクロスをカソード電極の拡散層として用いた場合での、燃料電池の電流密度を計測した実験結果を示した表である。

図１は、レドックスフロー型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する）１３を採用した燃料電池システムの一例を示す構成図である。尚、燃料電池システムは、例えば自動車などの車両に搭載され、燃料電池１３の発電電力が車両を駆動するモータに供給される。

燃料電池１３は、複数の単セルが積層されて構成されている。各単セルは、電解質膜１３ｂ、電解質膜１３ｂの一方の面に設けられたアノード電極１３ａ、電解質膜１３ｂの他方の面に設けられたカソード電極１３ｃ、及びこれらを挟持する不図示の一対のセパレータを有する。アノード電極１３ａには、水素タンク１１から水素ガス（Ｈ_２）が供給される。カソード電極１３ｃには、メディエータの一例であるＰＯＭ（ポリオキソメタレート）を含むカソード溶液が供給される。電解質膜１３ｂは、例えば、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン電導性を有する。アノード電極１３ａは、電解質膜１３ｂの一方の面に設けられた触媒層と、触媒層を介して電解質膜１３ｂの一方の面に接合され導電性を有した多孔質体である拡散層とを備えている。カソード電極１３ｃは、電解質膜１３ｂの他方の面に接合され導電性を有した多孔質体である拡散層を備えている。カソード電極１３ｃの拡散層は、炭素繊維から構成されており、具体的にはカーボンクロスである。アノード電極１３ａに供給された水素ガスは、触媒層によりプロトン（水素イオン）に変化する。尚、カソード電極１３ｃには触媒層は設けられていないが、これに限定されない。

ＰＯＭは、バナジウム、モリブデン、及びタングステンなどを含む化合物である。ＰＯＭの化学式は、例えばＸＭ^１ _１２−ｍＭ^２ _ｍＯ_４０ ^ｎ―で表される。ここで、Ｘは例えばＰ，Ｓｉ，Ｓ，Ｇｅであり、Ｍ^１は例えばＭｏ，Ｗであり、Ｍ^２は例えばＶである。また、ｍは１〜１２である。カソード溶液内のＰＯＭは、カソード電極１３ｃにおいて、アノード電極１３ａから移動してきたプロトンと結合することにより還元されてＰＯＭ−Ｈ（還元体）に変化する。より具体的には、カソード電極１３ｃにおいて、ＰＯＭ＋３ｅ⁻＋３Ｈ^＋→３ＰＯＭ−Ｈで表される反応が生ずる。このように、燃料電池１３は、カソードに供給されたＰＯＭを、アノードに供給された水素ガスで還元されることにより発電する。

カソード溶液は、溶液循環ポンプＰｏにより燃料電池１３と再生装置２１との間を循環する。再生装置２１では、カソード電極１３ｃにて水素ガスで還元されたＰＯＭがエアコンプレッサＣから圧送された空気（酸素）により酸化され、具体的には、Ｏ_２＋４ＰＯＭ−Ｈ→２Ｈ_２Ｏ＋４ＰＯＭで表される酸化反応が行われる。再生装置２１で酸化されたＰＯＭを含むカソード溶液は、燃料電池１３に供給される。

上記の燃料電池１３のカソード電極１３ｃの拡散層は、ＢＥＴ比表面積が１．５９ｍ^２／ｇ以上であって４．３５ｍ^２／ｇ以下の範囲内となるカーボンクロスである。カーボンクロスのＢＥＴ比表面積が上記範囲内にあることにより、燃料電池１３の電流密度が確保され、発電性能が良好である。以下に、カーボンクロスのＢＥＴ比表面積に応じた電流密度について説明する。

図２は、ＢＥＴ比表面積が異なるカーボンクロスをカソード電極１３ｃの拡散層として用いた場合での、燃料電池１３の電流密度を計測した実験結果を示した表である。本実験では、燃料電池１３に供給されるカソード溶液の流速が５０ｍｌ／ｍｉｎと一定であって燃料電池１３の温度も８０度と一定である条件下で、燃料電池１３の出力電圧が０．９５Ｖとなる高電圧の場合での電流密度［Ａ／ｃｍ^２］を計測した。図２に示すように、ＢＥＴ比表面積が１．５９ｍ^２／ｇ以上であって４．３５ｍ^２／ｇ以下となるカーボンクロスにおいて、電流密度は０．２６Ａ／ｃｍ^２以上から０．３６Ａ／ｃｍ^２以下となり、比較的高い電流密度となることがわかった。この理由は、以下のように考えられる。カソード電極１３ｃの拡散層のＢＥＴ比表面積が１．５９ｍ^２／ｇ未満のように小さいと、カソード電極１３ｃの拡散層とＰＯＭの接触面積とが低下し、ＰＯＭの反応効率が低下したものと考えられる。また、カソード電極１３ｃの拡散層のＢＥＴ比表面積が４．３５ｍ^２／ｇを超えて大きいと、ＰＯＭの分子量は比較的大きいのに対して、拡散層の微細孔が小さくなりすぎて微細孔内部にＰＯＭが浸入しにくくなるため、結果的に拡散層とＰＯＭの接触面積とが低下し、ＰＯＭの反応効率が低下したものと考えられる。尚、本実験で用いられたカーボンクロスの一部は、親水化処理が施されている。親水化処理の有無に関わらず、ＢＥＴ比表面積が１．５９ｍ^２／ｇ以上であって４．３５ｍ^２／ｇ以下の範囲内に含まれるのであれば、比較的高い電流密度が得られる。

ＢＥＴ比表面積は、以下のように算出した。異なる種類のカーボンクロスの試料を１２０℃で８時間にわたって真空乾燥した後に、定容法により、窒素を吸着質として吸着等温線を測定した。吸着等温線とは、平衡状態の圧力と飽和蒸気圧の比の相対圧力を増加させながら窒素ガス吸着量を測定する手法である。吸着温度は７７ｋとした。飽和蒸気圧は実測値を用いた。吸着質断面積は、０．１６２ｎｍ^２である。窒素の吸脱着の際の圧力変化が所定の値になってからの待ち時間である平衝待ち時間を、５００ｓｅｃとした。測定装置としては、ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉ（マイクロトラック・ベル株式会社製）を用いた。前処理装置としては、ＢＥＬＰＲＥＰ−ｖａｃII（マイクロトラック・ベル株式会社製）を用いた。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

上記実施例でのカソード電極１３ｃは、触媒層は設けられていないが、ＰＯＭの反応速度を向上させるために触媒層を設けてもよい。また、カーボンクロスからなるカソード電極１３ｃに白金等の触媒金属を担持させてもよい。上記実施例では、カソード電極１３ｃの拡散層はカーボンクロスであるが、ＢＥＴ比表面積が１．５９ｍ^２／ｇ以上であって４．３５ｍ^２／ｇ以下の範囲内に含まれるのであれば、拡散層とＰＯＭと間の接触面積の関係は上述のカーボンクロスの場合と同様であるため、カーボンペーパーであってもよい。

１３レドックスフロー型燃料電池
１３ａアノード電極
１３ｂ電解質膜
１３ｃカソード電極

Claims

電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられ、燃料ガスが供給されるアノード電極と、
前記電解質膜の他方の面に設けられ、ポリオキソメタレートを含む溶液が供給されるカソード電極と、を備え、
前記カソード電極は、少なくとも炭素繊維を含む拡散層を有し、
前記拡散層のＢＥＴ法で評価されるＢＥＴ比表面積は、１．５９ｍ^２／ｇ以上であって４．３５ｍ^２／ｇ以下である、レドックスフロー型燃料電池。