JPH07134995A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH07134995A
JPH07134995A JP5279961A JP27996193A JPH07134995A JP H07134995 A JPH07134995 A JP H07134995A JP 5279961 A JP5279961 A JP 5279961A JP 27996193 A JP27996193 A JP 27996193A JP H07134995 A JPH07134995 A JP H07134995A
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哲哉 芳賀
Masahiko Asaoka
賢彦 朝岡
Takanao Suzuki
孝尚 鈴木
Kazuo Kawahara
和生 河原
Katsuji Abe
勝司 阿部
Tatsuya Kawahara
竜也 川原
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料極側および空気極側の触媒担体の炭素粒
子の表面構造特性を修飾することで、電極内の吸/脱水
特性を調節して安定性の向上した高分子電解質型燃料電
池とすること。 【構成】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質膜の
両側に配置した燃料極と空気極とよりなり、該燃料極お
よび空気極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒
層を持つ燃料電池であって、空気極の触媒層の炭素粒子
は触媒を担持させて後、その表面を親水性が低下する処
理を施され、燃料極の触媒層の炭素粒子は予め親水性官
能基を付与した後に触媒を担持させた触媒層で構成され
ている燃料電池。高電流密度領域でも出力電圧の低下の
少ない高性能の電池である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、乾燥などの雰囲気の変
化に対しても安定して出力できる高分子電解質型燃料電
池に関する。
【0002】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池では、通常、加
湿した固体高分子よりなる電解質膜とこの電解質膜を挟
んで設けられた燃料極と空気極とで構成されている。こ
の燃料極および空気極は、燃料ガスおよび空気等の酸素
を含有するガスをそれぞれ電極反応をおこなわせる触媒
層と燃料ガスおよび空気酸素を含有するガスの触媒層へ
の供給路ならびに集電体として機能の役割をするガス拡
散層の2層構造となっている。燃料ガスがガス拡散層か
ら触媒層に供給されて電極反応が開始されると生成され
る電荷担体(H+ )が水分子と一緒に電解質内を浸透す
るので、電池の燃料極側の含水率が低下する。このため
電極側よりの水の供給が不十分であると電荷担体
(H+ )の移動が困難となり電池の性能が低下すること
になる。したがって、電池内各部の含水率は適正に保持
することが必要である。一方空気極側では移動してきた
電荷担体(H+ )が触媒層で電極反応により水を生成す
る。この生成した水の排出が不十分であると触媒の表面
が水膜で覆われてフラッディング状態になり供給ガス不
足などにより電極反応の進行が抑制されて電池性能が低
下する。
【0003】上記の特徴を有する電池の作成方法として
従来電極(炭素)成型に使用されていたフッ素樹脂など
の疎水性バインダー粒子を触媒から排除し、触媒担持炭
素と電解質からなる薄い触媒層を電解質膜に接合して電
池とする方法が提案されている。(J.Electri
ochem.Soc,Lett.L28(1992),
J.Appl.Electrochem.22,1(1
992)。これにより触媒利用率の高い高性能電池の作
成が可能になったが、この電池では、フラッディング対
策が安全性確保に不可欠であり、その方法として、触媒
層を150℃を越える温度で熱処理することにより触媒
層内の電解質の表面を意図的に部分疎水化させている。
しかし、この方法は電解質「以下、単に「電解質」と
は、電解質膜と触媒層中の電解質との双方を言い、「電
解質膜」、「触媒層中の電解質」とは区別する。)の肝
心の物質輸送特性を悪化させる場合が多く、かえないよ
うに処理条件を厳格に制御しなければならないという問
題点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、電解質と触媒担持炭素のみから
なる触媒層を有する高分子電解質型燃料電池において、
触媒担体である炭素の表面構造特性を変性することによ
り触媒層内での吸/脱水特性を調節して電池の性能およ
び安定性を向上した燃料電池とすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の燃料電池
は、固体高分子よりなる電解質膜と該電解質膜の両側に
配置した燃料極と空気極とで構成され、該燃料極および
該空気極は該電解質膜面に面接して配置された触媒層を
もち、上記空気極の触媒層は、表面が疎水性となった炭
素粒子と該炭素粒子に担持された触媒とで構成されてい
ることを特徴とする。
【0006】本発明の第2の燃料電池は、固体高分子よ
りなる電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と
空気極とで構成され、該燃料極および該空気極は該電解
質膜面に面接して配置された触媒層とをもち、上記燃料
極の触媒層は、表面が親水性となつた、炭素粒子と該炭
素粒子に担持された触媒とで構成されていることを特徴
とする。
【0007】本発明の第3の燃料電池は、固体高分子よ
りなる電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と
空気極とで構成され、該燃料極および該空気極は該電解
質膜面に面接して配置された触媒層をもち、上記空気極
の触媒層は、表面が疎水性となった、炭素粒子と該炭素
粒子に担持された触媒とで構成され、上記燃料極の触媒
層は、表面が親水性となつた、炭素粒子と該炭素粒子に
担持された触媒とで構成されていることを特徴とする燃
料電池。
【0008】本発明の燃料電池は、固体高分子よりなる
電解質膜とこの電解質膜の両側に配置した燃料極と空気
極とで構成され、これら燃料極および空気極はそれぞれ
電解質膜に面接して配置された触媒層をもつものであ
る。電解質膜は電荷担体(H+ )を透過させる電解質特
性を示す高分子膜が使用できる。
【0009】空気極および燃料極を構成する触媒層は炭
素粒子とこの炭素粒子上に担持された触媒金属とで構成
されている。また、触媒層には触媒金属を担持した炭素
粒子とともに通常電解質が配合される。燃料極および空
気極には電解質膜とは反対画の触媒層面にガス拡散層を
配置してもよい。該ガス拡散層は、高いガス透過性およ
び高電子伝導性を有する多孔質体で形成され、燃料ガ
ス、空気などの酸素を含有するガスを触媒層に均一に供
給する。ガス拡散層は通常炭素粒子と疎水性粒子との混
合物を成形して作られる。
【0010】本発明の空気極の触媒層を構成する炭素粒
子はその表面が適度に疎水性となっている。逆に、本発
明の燃料極の触媒層を構成する炭素粒子はその表面が親
水性となっている。空気極の触媒層に使用する炭素粒子
は、反応生成水によるフラッィング現象を抑制するため
に、親水性の低下した炭素粒子すなわち疎水性の炭素粒
子であることが望ましく、炭素粒子を疎水性とするに
は、真空、不活性ガスまたは水素ガス中で600℃以上
(できれば900℃以上)の熱処理をする方法が採用で
きる。他の方法としては、炭素粒子の表面にフッ素基を
導入するか、炭素粒子表面上に存在する親水性含酸素官
能基を、高圧アルコール水熱処理(100℃以上)によ
り、アルコキシド基に変換させるものである。ただし、
アルコキシド基の場合は電池運転時の官能基の安定性に
問題があるものもある。
【0011】表面が疎水性とされた炭素粒子は触媒の担
持が困難になる場合が多い。このため炭素粒子に疎水化
処理を実施する前に、炭素粒子表面に触媒金属を担持す
るのが好ましい。この触媒金属を担持した炭素粒子に疎
水性処理を施すことにより、触媒金属を均一に担持した
親水性の低下した疎水性の炭素粒子とすることができ
る。
【0012】また、炭素粒子は一般にその表面に孔隙を
持ち、そのうちミクロ孔は触媒金属の高分散担持に大き
く寄与する。しかしこのミクロ孔内に触媒層を形成する
際に添加される高分子電解質を導入することは困難り、
ミクロ孔内に担持された触媒金属の大部分は電極反応に
寄与しない。たとえ、電極反応に関与できる状態でも電
極反応時に生成する水がミクロ孔隙内で凝縮してフラッ
ディングを起こすためすぐに失活する。したがって、フ
ラッディグが問題になる空気極の触媒に使用する炭素粒
子は無孔性またはマクロ孔に富む(実表面積がほぼ等し
い)もののほうが望ましい。
【0013】一方、燃料極側ではみずが持ち去られるた
め触媒層内の水が不足する。このため燃料極の触媒層に
使用する炭素粒子は親水性のものであることが望まし
い。炭素粒子を親水性とするには、炭素粒子の表面に親
水性官能基を導入する方法を採用できる。この親水性官
能基の付与は、炭素粒子を硝酸などによる湿式酸化(2
5〜100℃)や水蒸気などによる部分熱酸化(300
〜700℃)をおこなうことで達成でき、炭素粒子表面
には水酸基およびカルボキシル基などの含酸素基が導入
される。なお、炭素粒子の表面がより親水性となること
により、炭素粒子表面への触媒金属はより容易に均一に
付着担持し易い状態となる。このため燃料極の触媒層に
用いる炭素粒子は、予め親水性官能基を付与した後に触
媒を担持させるのが好ましい。炭素粒子表面の親水性含
酸素基は水分子の蒸気からの吸着を促進する活性サイト
として作用するとともに、吸着水分子間の水素結合を媒
介として水の凝縮を促進することができる。
【0014】触媒金属は化学的安定性および活性の点で
白金またはその合金(多元素を含む)が望ましく、白金
と組み合わせる成分(鉄、コバルトなど)は反応および
被毒成分の違いにより燃料極と空気極とで一般に異な
る。触媒金属の担持量は20〜40重量%であればよ
く、触媒金属の分散を高め、活性化分極を低下させるに
は低担持量のものほど有利であるが、触媒層を薄くし濃
度分極低下および触媒利用率向上を実現するために高担
持量のものが望ましい。
【0015】触媒層は触媒金属を担持した炭素粒子と電
解質触媒層中の電解質とを混合して構成する。通常集電
体のカーボン布の上に触媒担持炭素粒子を所定の厚さに
形成し、高分子電解質を溶解した溶液を塗布することで
で形成される。この触媒担持炭素粒子と電解質膜間には
特別な強い相互作用はなく、電解質の表面構造は電解質
の含水率により容易に変化すると考えられている。例え
ば、含水状態の電解質は親水性スルフォン基を炭素上の
触媒に向けているが、乾燥時には疎水性の樹脂骨格を炭
素上の触媒に向けることが示唆されている。また、触媒
/電解質界面の空隙に過剰の液体水が滞留すると触媒と
電解質とが剥離し電気抵抗増大ひいては電極破壊が起き
ることになる。
【0016】炭素粒子上の高密度に存在する表面官能基
は水分子の吸着および凝縮を促進し、炭素の水への濡れ
性に強く影響する。このため、空気極に使用する炭素表
面が高度に親水性である場合には、電流が高くなり水生
成が速くなると炭素/電解質界面に液体水膜が形成され
やすくなり、軽度のフラッディング現象が比較的低い電
流域でも観察されるようになり安定性が低下する。一
方、反応に水が関係せず電解質が乾燥し易い燃料極側で
は、電解質により被覆された炭素表面の性状は空気極ほ
ど重要ではなが、燃料極は高湿度下におかれるのが一般
的であるため、親水性炭素/電解質界面の空隙は微量の
余分な液体水が通電の有無に関係なく存在し、これらに
よりセル発熱および電解質内水電気浸透現象による通電
時の急激な電解質乾燥をある程度防止できる。
【0017】触媒層を形成する炭素粒子の平均径は、触
媒金属の分散度、純抵抗(イオン/電子伝導界面の大き
さ)、成形のし易さのいずれの点でもできるだけ小さい
ことが望ましいが、ガス拡散経路となる粒子間隙(大部
分に電解質が存在する)が小さすぎるとガス透過が制限
され触媒表面のガス濃度が低下し易くなることがあるた
め、約25〜50μm程度の径の範囲のものが望まし
い。
【0018】
【作用】高親水性表面の炭素粒子で燃料極の触媒層を形
成すると、電解質に被覆されていない炭素表面に高密度
で存在する含酸素官能基が水分子の蒸気からの吸着およ
び凝縮を促進し、液体水への濡れを向上させる。このた
め電解質側の高度な加湿を速やかに達成できるようにな
り、電解質の物質輸送特性が向上し電池性能が向上す
る。また、電解質側を加湿状態に保持するため、セル発
熱および水の電解質内電気浸透現象によって燃料極側電
解質の含水率が低下してガスおよびプロトンの輸送特性
が悪化する現象を最小限に抑えることができ、電流増加
に伴う電池性能低下を抑制できる。
【0019】疎水性表面をもつ炭素粒子で空気極触媒層
を形成すると、触媒反応により生成した水が凝集し炭素
上に濡れ広がって電解質/炭素界面の空隙に蓄積滞留す
るのが防止できる。その結果生成する水は触媒層中に存
在する電解質相を通して速やかに外部へ排出できる。こ
のため、触媒層のフラッディングや電解質/触媒剥離に
よる電池性能の低下が起こりにくく、水の生成速度が大
きい高電流域でも高い性能を安定して得られる。
【0020】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 炭素粒子の処理 表1に示すデンカブラックとVulcan XC-72R の二種類の
炭素粒子に各種の酸化表面処理を施した後、表面酸性基
量の滴定および水蒸気吸着等温線の測定をおこなった。
結果をそれぞれ表1および図1に示す。これにより炭素
粒子表面の親水性の変化の度合いを判定した。
【0021】デンカブラックの場合は、処理前の表面全
酸性度が10未満であるのに対し、硝酸酸化により18
に増加した。一方Vulcan XC-72R は処理前の表面全酸性
度が18であり、空気酸化により22、26に増加し
た。また硝酸酸化により表面全酸性度は34、48に増
加した。さらに硝酸酸化後、不活性ガス中で加熱すると
表面全酸性度は25、16、10未満と未処理のものよ
り少なくなった。
【0022】図1には、横軸に水蒸気相対圧を縦軸に水
蒸気吸着量をとり、Vulcan XC-72Rの未処理、硝酸10
0℃で3時間処理、硝酸処理後水素ガス下で900℃2
時間処理したものの水蒸気吸着を調べたグラフを示す。
硝酸酸化により炭素粒子の水蒸気吸着量は未処理のもの
よりかなり多くなっている。一方水素ガス下で処理する
と、著しく水蒸気吸着量が低下している。
【0023】したがって、酸化処理によって炭素粒子の
表面含酸素官能基量が増大し表面全酸性度が未処理のも
のより増加して親水性が向上している。また、酸化処理
後に不活性および還元雰囲気中での高温熱処理すること
で硝酸酸化物より表面全酸性度が低下し親水性が低下し
たことが明らかである。
【0024】
【表1】 ──────────────────────────────────── 炭素粒子 表面処理および条件 表面全酸性度(meq/g) ──────────────────────────────────── デンカブラック 未処理 <10 デンカブラック 硝酸酸化100 ℃3h 18 Vulcan XC-72R 未処理 18 Vulcan XC-72R 空気酸化400 ℃5h 22 Vulcan XC-72R 空気酸化400 ℃20h 26 Vulcan XC-72R 硝酸酸化85℃ 1h 34 Vulcan XC-72R 硝酸酸化100 ℃ 3h 48 Vulcan XC-72R 硝酸酸化100 ℃3h +N2中600 ℃1h 25 Vulcan XC-72R 硝酸酸化100 ℃3h +真空中900 ℃2h 16 Vulcan XC-72R 硝酸酸化100 ℃3h +H2中900 ℃2h <10 ──────────────────────────────────── 上記の処理に基づいて表2に示す組合せの触媒層で構成
した三種類の電池を作製した。No1は燃料極側は親水
性、空気極側は疎水性である。No2は燃料極側は親水
性、空気極側は未処理でありやや親水性である。No3
は比較例でどちらの極も未処理の炭素粒子を使用したも
のである。
【0025】電池の作製は、カーボン布に炭素粒子と疎
水性粒子との混合物を塗布した成形したガス拡散層の上
に上記の各極用の触媒を担持炭素粒子を、電解質の溶解
液を混合塗布した一対の電極を高分子電解質膜を挟んで
重ねてホットプレスで一体化させてることでおこなっ
た。
【0026】
【表2】 ──────────────────────────────────── 燃料極触媒用炭素 空気極触媒用炭素 ──────────────────────────────────── 実施例No.1 硝酸酸化Vulcan XC-72R H2処理VULCAN XC-72R 実施例No.2 硝酸酸化Vulcan XC-72R 未処理Vulcan XC-72R 比較例No.3 未処理Vulcan XC-72R 未処理Vulcan XC-72R ──────────────────────────────────── 形成した電池について、常圧(H2 /Air)40℃に
おける電流密度と電池出力電圧との関係を図2に示す。
この電池I−V特性では電流密度の増加にともない、出
力電圧親水性、非親水性処理を施してないNo.3では
急激に低下する。燃料極を処理した触媒層のNo2は出
力電圧の低下は緩やかであり、No.1の両極とも処理
することによりさらに出力電圧の低下が少なくなってい
る。
【0027】図3には放電時間と電池出力電圧の関係を
定電流モード(常圧(H2 /Air)40℃、1A/c
2 )における出力電圧変化を調べた。No.1が燃料
極のみを処理したNo.2より電圧の低下がより少な
い。No.2の親水性炭素粒子で燃料極触媒層を構成す
ることにより、高電流域における電解質乾燥および純抵
抗増大を防止でき、性能が向上し限界電流が増大した。
さらに、No.1の様に燃料極触媒層を親水性炭素粒子
で空気極触媒層を疎水性炭素で構成することにより、液
体水発生による拡散抵抗増大および触媒失活を抑制出
来、電池性能が向上するとともに、安定性が向上し長時
間の運転でも電圧の低下が抑制できた。
【0028】図4には炭素粒子を処理するのでなく、熱
処理により部分疎水化させた高分子電解質を用いて触媒
層の疎水性を制御した従来品とNo.1とを70℃で常
圧(H2 /Air)で試験電流密度と電池出力電圧との
関係を比較した。図4より本実施例の方が広い電流領域
で電圧低下が少なく高性能であった。
【0029】
【発明の効果】本発明では、炭素粒子の表面に直接親水
性処理などをおこなうとにより触媒層での給/排水性を
容易に制御することができる。すなわち、最近開発され
たフッ素樹脂粒子を含まない、触媒担持炭素と電解質の
みからなる極薄の電極触媒層は高性能であるが、疎水性
の制御が困難であり安定性に乏しい欠点があったが、本
発明により給/排水性が容易に制御できる性能および安
定性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この図は、各種の表面処理を施した炭素粒子
の水蒸気吸着の度合いを示すグラフである。
【図2】 この図は、電池の電流密度と電池出力電圧と
の関係を示すグラフである。
【図3】 この図は、電池の放電時間と電池出力電圧と
の関係を示すグラフである。
【図4】 この図は、本実施例の電池と従来の電池の電
流密度と電池出力電圧との関係を比較したグラフであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朝岡 賢彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 鈴木 孝尚 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 河原 和生 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 阿部 勝司 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 川原 竜也 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質
    膜の両側に配置した燃料極と空気極とで構成され、該燃
    料極および該空気極は該電解質膜面に面接して配置され
    た触媒層を持つ燃料電池において、 上記空気極の触媒層は、表面が疎水性となった、炭素粒
    子と該炭素粒子に担持された触媒とで構成されているこ
    とを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質
    膜の両側に配置した燃料極と空気極とで構成され、該燃
    料極および該空気極は該電解質膜面に面接して配置され
    た触媒層を持つ燃料電池において、 上記燃料極の触媒層は、表面が親水性となつた、炭素粒
    子と該炭素粒子に担持された触媒とで構成されているこ
    とを特徴とする燃料電池。
  3. 【請求項3】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質
    膜の両側に配置した燃料極と空気極とで構成され、該燃
    料極および該空気極は該電解質膜面に面接して配置され
    た触媒層を持つ燃料電池において、 上記空気極の触媒層は、表面が疎水性となった、炭素粒
    子と該炭素粒子に担持された触媒とで構成され、上記燃
    料極の触媒層は、表面が親水性となつた、炭素粒子と該
    炭素粒子に担持された触媒とで構成されていることを特
    徴とする燃料電池。
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