JP6981166B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
C+2H2O→CO2+4H++4e- (2)
2H2O→4H++4e-+2O2 (1)
この反応式から明らかなように、水電解反応により酸素が発生する。この生成した酸素は触媒層中の液水により触媒層上に滞留してしまう問題がある。生成した酸素が触媒層上に滞留してしまうと、上記の反応が進行せず、停止することになる。従って、生成した酸素を継続的に触媒層外へ排出させることが重要となる。
一般に、固体高分子電解質型燃料電池は、図1に示すように、固体高分子電解質膜1の両面にアノード触媒層2及びカソード触媒層3からなる電極を接合して膜電極接合体を構成し、アノード触媒層2及びカソード触媒層3の各々の外側には、反応時に発生する水及びガスを通過させるための導電性の多孔質アノードガス拡散層4及び多孔質カソードガス拡散層5が配置され、最も外側にガス流路を備えたセパレータ6を配置して、このセパレータにより挟持して単セルとし、この単セルを複数個積層したもの(スタック)からなる。
前記固体高分子電解質膜は、プロトン(H+)伝導性基(例えばスルホン酸基(SO3 -)等)を備えた陽イオン交換体高分子であり、例えば、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルエーテルスルホン(PEES)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルホキシド(PPSO)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン(PPS/SO2)、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリイミド(PI)等の高分子の一部をスルホン化してイオン交換体としたものや、ポリビニルスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルオキシベンゼンスルホン酸等を挙げることができ、これらの単独使用や、これらの複数種の共重合物又は混合物を使用することができる。特に、PPSO、PPS、PPS/SO2の一部をスルホン化した陽イオン交換体高分子を適用したものであると、その熱的や機械的な特性や、汎用性等の観点から好ましく、さらに、PPSの一部をスルホン化した陽イオン交換体高分子を適用するとより好ましい。他方、ポリビニルスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸を適用したものであると、低コストなモノマーを原料にして製造することができるので、コスト的な観点から好ましい。
触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、電極触媒又は電極触媒を担持した担体と、その周囲を被覆する触媒層内電解質とを備えている。一般に、電極触媒には、膜電極接合体の使用目的、使用条件等に応じて最適なものが用いられる。固体高分子型燃料電池の場合、電極触媒には、燃料電池において酸化還元反応を促進する種々の触媒、例えばルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、これらの合金等が用いられる。触媒層に含まれる電極触媒の量は、膜電極接合体の用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。
拡散層は、触媒層との間で電子の授受を行うと同時に、反応ガスを触媒層に供給するためのものである。拡散層には、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等が用いられる。また、撥水性を高めるために、カーボンペーパ等の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性高分子の粉末とカーボンの粉末との混合物(撥水層)をコーティングしたものを拡散層として用いても良い。
水電解触媒としては、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、及び銀(Ag)よりなる群から選ばれる少なくとも1種(以下、ベース金属ともいう)を含有する化合物(以下、ベース金属含有化合物ともいう)もしくはそれらの複合物(ベース金属含有複合物)で構成されることが好ましい。これは、Ir、Ru、Agをベース金属とすると水電解活性が高く、水電解反応を促進し、カーボン材料の腐食を低減することができるためである。なお、これらの水電解触媒は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用して用いてもよく、上記導電性担体上に担持させて用いられる。
2H2O→4H++4e-+2O2
に示す酸素還元反応を促進させることができ、水の電気分解の効果と併せて燃料電池の発電の効果も向上させることができる。但し、これらの合金に何ら制限されるものではない。
アノード触媒層に水電解触媒を含有させると、水電解触媒上で下式
2H2O→4H++4e-+2O2
で表される水電解反応により酸素が発生する。図2に示すように、この生成した酸素12は、触媒層中の液水13により水電解触媒11上に滞留してしまう問題がある。生成した酸素12が水電解触媒11上に滞留し閉塞してしまうと、上記の反応が進行せず、停止することになる。従って、生成した酸素12を継続的に触媒層外へ排出させることが必要となる。生成した酸素12を排出させるためには、酸素の排出を阻害している触媒上の液水13を排出して除くよう、触媒層の排水性を向上させる必要がある。そこで本発明の燃料電池においては、アノード触媒層に繊維状カーボンが添加されている。この繊維状カーボンを触媒層中に含有させることで、触媒層中に大きな細孔を形成し、排水性を向上させることができる。
白金担持カーボン、イリジウム担持カーボン、及びカーボンナノチューブ(昭和電工社製、商品名VGCF−H)を混合し、触媒組成物を作製した。このVGCF−Hは、繊維径150nm、真密度2.1g/cm3である、CVD法で合成された繊維状カーボンである。作製した触媒組成物にイオン交換樹脂溶解液(アルドリッチ社製、商品名ナフィオン)を加えて混合溶液を作製した。この混合溶液をPTFEシート上に塗布した後、乾燥させて、触媒層が形成された電極材を作製した。ここで、白金の目付量、イリジウムの目付量、繊維状カーボンの量比、繊維状カーボンの長さを以下の表1に示すように設定した。
アノード極に窒素を流して水素が無い状態(水素欠状態)でポテンシオスタットを用いて、0.2A/cm2の電流を強制的に掃引し、アノード極で水電解反応を発生させることにより、水電解継続時間を測定し、結果を以下の表1及び図3に示す。
2 カソード触媒層
3 アノード触媒層
4 アノードガス拡散層
5 カソードガス拡散層
6 セパレータ
11 電極触媒
12 酸素
13 水
Claims (1)
- 固体高分子電解質膜の一方の面にアノード触媒層を配置し、他方の面にカソード触媒層を配置してなる膜電極接合体を有する単セルを備えた燃料電池であって、
前記アノード触媒層が水電解触媒を担持している導電性担体及び電極触媒を担持している導電性担体、並びに前記水電解触媒及び前記電極触媒を担持していない繊維状カーボンを含有し、
前記アノード触媒層の総重量に対して繊維状カーボンの重量が35〜55重量%である、
燃料電池。
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