JPH1145733A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

固体高分子型燃料電池

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JPH1145733A
JPH1145733A JP9201526A JP20152697A JPH1145733A JP H1145733 A JPH1145733 A JP H1145733A JP 9201526 A JP9201526 A JP 9201526A JP 20152697 A JP20152697 A JP 20152697A JP H1145733 A JPH1145733 A JP H1145733A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】イオン交換膜の含水量を従来と同等とし、電池
特性を低下させることなく、電池排水の量を低減する。 【解決手段】触媒層4および支持層5によりそれぞれ構
成されるアノード電極2およびカソード電極3と、この
アノード電極2とカソード電極3との間に挟まれ、かつ
プロトン導電性を有するイオン交換膜1とを備え、イオ
ン交換膜1を除いて最も親水性の材料が、カソード電極
3に含まれるように構成された。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、プロトン導電性を
有するイオン交換膜を電解質として用いた固体高分子型
燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】図3は従来の固体高分子型燃料電池の構
成を示す概略図である。この固体高分子型燃料電池は、
図3に示すようにプロトン導電性を有するイオン交換膜
1を電解質として用い、このイオン交換膜1を挟んでア
ノード電極2とカソード電極3とを備えて構成されてい
る。
【0003】イオン交換膜1には、通常、Nafion
(デュポン社製),Flemion(旭硝子株式会社
製),Aciplex(旭化成工業株式会社製),Do
w(ダウ ケミカル社製)などが使用されており、それ
ぞれの電極2,3は、触媒層4と、この触媒層4を支持
する支持層5とからなり、各触媒層4がイオン交換膜1
に接するように構成されている。そして、アノード電極
2に水素を含む燃料ガスを供給する一方、カソード電極
3に空気を含む酸化剤ガスを供給することにより発電を
行う。
【0004】燃料ガス中に含まれる水素(Η2 )は、ア
ノード電極2にて、
【化1】H2 →2H+ +2e- ……(反応1) なる反応により酸化される。H+ (プロトン)はイオン
交換膜1中を移動する一方、e- (電子)は外部負荷8
を通り電気的な仕事をして、それぞれカソード電極3に
達する。このカソード電極3では酸化剤ガス中の酸素
(Ο2 )がH+ およびe- と、
【化2】 なる反応によって還元される。燃料ガスと酸化剤ガスが
供給される限り、上記の酸化・還元反応が継続して進行
し、電池は発電し続ける。一個の電池の出力は小さいた
め、実際の固体高分子型燃料電池は図3に示す電池をセ
パレータを介して複数個積層して用いられることがほと
んどである。このため一個の電池のことを単位電池と称
する。
【0005】イオン交換膜1は、水を含むことによって
有用なプロトン導電性を示す。したがって、固体高分子
型燃料電池が実用性能を発揮するためには、膜は常に水
を含んだ状態、すなわち含水していることが必要であ
る。しかし、固体高分子型燃料電池には、イオン交換膜
1の含水量が変動する要因が以下のようにいくつか存在
する。
【0006】(1)アノード電極2からカソード電極3
へイオン交換膜1中を移動するH+(プロトン)は、い
くらかの水分子(H2 O)を伴って移動する。 (2)カソード電極3では、酸素の還元により水が生成
する。 (3)上記(1),(2)の水の一部(H2 O)は、カ
ソード電極3からアノード電極2へ拡散する。 (4)燃料ガスによってイオン交換膜1のアノード電極
2側から水が電池外へ取り去られる。 (5)酸化剤ガスによってイオン交換膜1のカソード電
極3側から水が電池外へ取り去られる。
【0007】この中で(1)と(2)は電池の反応速度
に依存し、膜のカソード電極3側の含水量が増す要因で
ある。(3)は(1)十(2)の一部であるから、膜の
アノード電極2側の含水量は減る傾向にある。
【0008】(4),(5)は共に膜の含水量が減る要
因である。含水量が増す要因もあるものの、実際の電池
では流量にもよるが、(4)および(5)の影響が大き
く、膜は短時間で乾燥し、結果として電池の特性は低下
する。このような現象を解決するために、何等かの方法
で予め燃料ガス、あるいは燃料ガスと酸化剤ガスの両方
に水分を含ませて、すなわち加湿を行い、電極を通して
イオン交換膜1に水分を供給する手段が既に採用されて
いる。
【0009】燃料ガスを加湿することにより(1)と
(4)によるアノード側のイオン交換膜1の乾燥を防止
することができる。酸化剤ガスの加湿は必ずしも必要で
ないが、(1)十(2)<(5)の場合は酸化剤ガスの
加湿を行うことにより、カソード電極3側のイオン交換
膜1の乾燥を防止することができる。
【0010】このように反応ガスを加湿することによ
り、イオン交換膜1の乾燥を防止することが可能である
が、加湿された反応ガスが電極を通りイオン交換膜1に
達するため、電極の構造も固体高分子型電池の特性を左
右する要因となる。
【0011】触媒層4は、アノード電極2,カソード電
極3でそれぞれ上記反応1、反応2を促進するための触
媒を含んだ層である。触媒は単に白金黒を用いる場合も
あるが、通常はアセチレンブラック,ファーネスブラッ
クなどの高い比表面積を有するカーボン表面に、触媒作
用を有する白金あるいは白金と他の金属との合金(白金
合金)の微粒子を分散担持したもの(カーボン担持白金
触媒)を使用する。
【0012】このカーボン担持白金触媒は、白金の比表
面積を増加させることにより、白金の使用量を低減する
ための工夫であるが、低密度のカーボンを含むため嵩高
であり、また触媒層4はカーボンの細孔構造を反映した
多孔質構造となる。
【0013】この多孔質構造は以下のようにいくつかの
電池特性の低下要因を含む。(a)細孔内に存在するた
めイオン交換膜1に接することができない、すなわちプ
ロトンの供給がなされない白金、あるいは白金合金の割
合が増し、電池の触媒活性が低下する。(b)ガスに含
まれ膜に供給される水や電池反応の生成水が細孔内に滞
留し、ガスの移動を阻害して電池のガス拡散性が低下す
る。
【0014】(a)は固体であるイオン交換膜1が触媒
層4の細孔内に入り込めないことから生じる問題である
が、これに対して、イオン交換膜1と同組成の高分子の
分散溶液を触媒と混合して触媒層4を形成することによ
り、白金あるいは白金合金の利用率を上げる手段が既に
採用されている。(b)の問題は、撥水性を有する微粒
子を触媒層4に混合することで回避されることが多い。
【0015】ここで、撥水性を有する微粒子とは、テフ
ロン(デュポン社製:四フッ化エチレン樹脂)を初めと
するフッ素樹脂粒子,カーボンとフッ素樹脂の混合物を
焼結した後、粉砕したカーボン/フッ素樹脂粒子,カー
ボンあるいはピッチの表面をフッ素化したフッ化カーボ
ン、フッ化ピッチなどである。これらの撥水性微粒子を
触媒層4に混合することにより、膜への水の供給や、電
池反応による生成水の取り出しがスムースに行われるよ
うになる。
【0016】触媒層4は200μm以下と薄く、かつ脆
い。また膜も比較的柔らかいため、共に単層では取扱い
が困難な場合が多い。このため、これらの層を補強する
支持層5が用いられる。この支持層5に必要な機能は、
電池の取扱いを容易にし、かつ積層に耐え得る強度,電
気伝導性,ガス拡散性などであり、多孔質構造を有する
カーボン材料に撥水処理を行ったものが使用されること
が多い。
【0017】具体的には、ΤGΡ(東レ株式会社製)な
どのカーボンペーパーにフッ素樹脂で撥水処理を行った
ものや、カーボンとフッ素樹脂との混合物を板状に焼き
固めたものが使用されている。いずれもフッ素樹脂を何
等かの方法により含んでいるのは、触媒層4での問題
(b)と同様に細孔内での水の滞留を防止するためであ
る。
【0018】なお、場合によっては、図3に示す触媒層
4のみを電極と称し、支持層5を単独で取り扱うものも
あるが、その場合の単位電池での電極と支持層の構成が
図3の触媒層4と支持層5の構成と同一であれば、その
単位電池は呼称が異なるだけで本発明の従来技術の電池
に含まれる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような構成の従来の固体高分子型燃料電池では、イオン
交換膜1は常に高い含水状態であるように反応ガスを加
湿して水を供給しなければならない一方、反応ガスの通
り道でもある電極内には水が滞留しにくい、すなわち水
は電池内に入り易く、かつ出やすい構造となっているた
め、供給した水が、電池反応で生成した水も含めて、基
本的に全てが、未反応の燃料ガスと酸化剤ガスによって
電池外に取り出されることになり、大量の電池排水が生
じるという問題がある。勿論、この排水を再び循環して
電池に供給することも可能であるが、この場合でも、電
池プラント内に大量の水を保持していなければならい問
題に変わりはない。
【0020】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、イオン交換膜の含水量を従来と同等とし、電池
特性を低下させることなく、電池排水の量を低減する固
体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の請求項1は、触媒層および支持層によ
りそれぞれ構成されるアノード電極およびカソード電極
と、このアノード電極とカソード電極との間に挟まれ、
かつプロトン導電性を有するイオン交換膜とを備えた固
体高分子型燃料電池において、前記イオン交換膜を除い
て最も親水性の材料が、前記カソード電極に含まれるよ
うに構成されたことを特徴とする。
【0022】請求項2は、請求項1記載の固体高分子型
燃料電池において、親水性の材料を含んだ層が、カソー
ド電極の触媒層と支持層との間に設けられたことを特徴
とする。
【0023】請求項3は、請求項1または2記載の固体
高分子型燃料電池において、親水性の材料が、Si
2 ,SnO2 ,Al2 3 などの金属酸化物であるこ
とを特徴とする。
【0024】請求項4は、請求項2記載の固体高分子型
燃料電池において、触媒層と支持層との間に設けられた
親水性の材料を含んだ層が、前記触媒層および前記支持
層よりも薄く形成されたことを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。
【0026】図1は本発明に係る固体高分子型燃料電池
の一実施形態を示す概略図である。なお、従来の構成と
同一または対応する部分には、図3と同一の符号を用い
て説明する。
【0027】図1に示すように、本実施形態の固体高分
子型燃料電池は、プロトン導電性を有するイオン交換膜
1を電解質として用い、このイオン交換膜1を挟んでア
ノード電極2とカソード電極3とを備えている。それぞ
れの電極2,3は、触媒層4と、この触媒層4を支持す
る支持層5とからなり、各触媒層4がイオン交換膜1に
接するように構成されている。
【0028】ここで、カソード電極3には、イオン交換
膜1を除いて最も親水性の材料が含まれ、具体的には触
媒層4と支持層5との間に、これら触媒層4および支持
層5よりも薄く形成された親水性の材料を含んだ親水層
6が設けられている。そして、親水性の材料としては、
SiO2 ,SnO2 ,Al2 3 などの金属酸化物が用
いられる。
【0029】このようにして構成された単位電池は電池
治具7に組み込まれ、燃料ガス入口7aからアノード電
極2に加湿した水素を含む燃料ガスを供給する一方、酸
化剤ガス入口7cからカソード電極3に加湿した空気を
含む酸化剤ガスを供給することにより発電を行う。そし
て、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、それぞれ燃料ガス出
口7bおよび酸化剤ガス出口7dから排出される。
【0030】次に、本実施形態の固体高分子型燃料電池
を具体的に説明する。
【0031】まず、厚さ300μmのカーボンペーパー
に四フッ化エチレン樹脂の分散溶液を含浸させた後、炉
で350℃で20分間熱処理して支持層5を作製した。
次に、カーボンと金属酸化物であるAl2 3 粉末を
6:4の割合でアルコールを溶媒として混合してインク
を合成し、このインクを支持層5に塗布し、乾燥して親
水層6を形成した。
【0032】そして、カーボン担持白金触媒とNafi
on5%溶液を1:3の割合で混合しインクを合成して
親水層6に塗布し、乾燥して触媒層4を形成し、カソー
ド電極3を作製した。アノード電極2は、親水層6を形
成する工程を省略し、支持層5に直接触媒層4を形成し
て作製した。触媒層4の厚さはアノード電極2、カソー
ド電極3ともに約100μmであった。イオン交換膜1
としてNafion膜を使用して、作製したアノード電
極2、カソード電極3をNafion膜にプレスして単
位電池を作製した。この時、親水層6のインク塗布量を
調整して、親水層6の厚さが50μm、150μmの、
2種の単位電池を作製した。また、カソード電極3に親
水層6が設けられていない従来の電池も併せて作製し
た。
【0033】この3種の単位電池を、それぞれ電池治具
7に組み込み、燃料ガス入口7aから加湿した水素を、
酸化剤ガス入口7cから加湿した空気をそれぞれ供給し
て発電を行った。水素,空気の加湿量は、それぞれの電
池特性が最も良くなるように調節した。発電は100時
間行い、その間、燃料ガス出口7bまたは酸化剤ガス出
口7dから排出された水量を測定したところ、従来の電
池が約650mlであったのに対し、親水層6が50μ
m,150μmの電池の水量は、それぞれ約300m
l,200mlであった。また、電池抵抗を測定する
と、いずれの電池も約3mΩと変わらなかった。
【0034】さらに、100時間運転後の電池特性を図
2に示す。図2によれば、親水層50μmの電池と従来
の電池の特性はほとんど変わらないが、親水層150μ
mの電池は高電流域での電圧が従来電池より低くなっ
た。また、親水性の材料としてSiO2 ,SnO2 を使
用した電池もAl2 3 と同様の結果を示した。
【0035】親水層150μmの電池の低特性は、水を
保持した親水層6が空気の拡散を阻害しているためと考
えられる。親水層6は電池排水低減に貢献するものの、
カソード電極3が含む触媒層4や支持層5の厚さを越え
ると、撥水処理を行わない、あるいは親水処理を行った
触媒層4や支持層5と変わりがなく、水の滞留による反
応ガス拡散阻害の要因となる。このことを逆に考える
と、触媒層4や支持層5が水を保持しても反応ガスの拡
散を阻害しなければ、これらの層のいずれかに親水処理
をすることによって親水層6の機能を兼ね備えることが
可能である。
【0036】しかし、既にある機能を有する触媒層4や
支持層5に、親水性という新たな機能を付け加えた場
合、親水性の度合の調整が困難であったり、触媒層4や
支持層5の本来の機能を損なう可能性もある。これに対
して、親水層6を独立して形成することは、材料の組成
や量を変更することも容易で、既存の電極に設計変更を
行うことなく適用できるという利点もある。
【0037】また、本実施形態の親水層6の親水性は、
イオン交換膜1を除いた電池内での相対的な親水性であ
り、換言すれば、イオン交換膜1を除いて最も疎水性で
ない層のことである。したがって、触媒層4と支持層5
がフッ素樹脂などで撥水処理を行っている場合、何等処
理を行っていないカーボンのみで親水層6を構成するこ
とも可能であり、前述の親水層6と同様の作用を有す
る。
【0038】このように本実施形態によれば、イオン交
換膜1を除いて最も親水性の材料が、カソード電極3に
含まれることにより、H+ (プロトン)と共に移動した
水と電池反応による生成水とが、この親水性の材料に捉
えられ、イオン交換膜1の乾燥が抑制されるため、加湿
する水の量を低減することができる。
【0039】また、親水性の材料を含んだ親水層6を触
媒層4と支持層5との間に設けたことにより、H+ (プ
ロトン)と共に移動した水と電池反応による生成水と
が、イオン交換膜1に近い位置で保持されることとな
り、イオン交換膜1の含水量低減が強く抑制され、イオ
ン交換膜1が乾燥せず、かつ支持層5への水の流出が抑
制されることにより、支持層5への水の滞留が防止さ
れ、支持層5での反応ガスの拡散が阻害されることがな
くなる。
【0040】さらに、親水性の材料がSiO2 ,SnO
2 ,Al2 3 などの金属酸化物であることから、H+
(プロトン)と共に移動した水と電池反応による生成水
とがSiO2 ,SnO2 ,Al2 3 などの金属酸化物
に捉えられ、イオン交換膜1の乾燥が抑制されるため、
加湿する水の量を低減することができる。
【0041】さらにまた、触媒層4と支持層5との間の
親水性の材料を含んだ親水層6が、触媒層4および支持
層5よりも薄く形成されたことにより、親水層6が水を
保持した場合でも、反応ガスの拡散を阻害することがな
くなる。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
によれば、イオン交換膜を除いて最も親水性の材料が、
カソード電極に含まれることにより、イオン交換膜の含
水量を従来と同等とし、電池特性を低下させることな
く、電池排水の量を低減する固体高分子型燃料電池を得
ることができる。
【0043】請求項2によれば、親水性の材料を含んだ
層を触媒層と支持層との間に設けたことにより、H
+ (プロトン)と共に移動した水と電池反応による生成
水とが、イオン交換膜に近い位置で保持されることとな
り、イオン交換膜の含水量低減が強く抑制され、イオン
交換膜が乾燥せず、かつ支持層への水の流出が抑制され
ることにより、支持層への水の滞留が防止され、支持層
での反応ガスの拡散が阻害されることがなくなる。
【0044】請求項3によれば、親水性の材料がSiO
2 ,SnO2 ,Al2 3 などの金属酸化物であること
から、H+ (プロトン)と共に移動した水と電池反応に
よる生成水とがSiO2 ,SnO2 ,Al2 3 などの
金属酸化物に捉えられ、イオン交換膜の乾燥が抑制され
るため、加湿する水の量を低減することができる。
【0045】請求項4によれば、触媒層と支持層との間
に設けられた親水性の材料を含んだ層が、触媒層および
支持層よりも薄く形成されたことにより、親水層が水を
保持した場合でも、反応ガスの拡散を阻害することがな
くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体高分子型燃料電池の一実施形
態を示す概略図。
【図2】本実施形態の電池と従来の電池の電池特性を示
す図。
【図3】従来の固体高分子型燃料電池の構成を示す概略
図。
【符号の説明】
1 イオン交換膜 2 アノード電極 3 カソード電極 4 触媒層 5 支持層 6 親水層 7 電池治具 7a 燃料ガス入口 7b 燃料ガス出口 7c 酸化剤ガス入口 7d 酸化剤ガス出口 8 外部負荷

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 触媒層および支持層によりそれぞれ構成
    されるアノード電極およびカソード電極と、このアノー
    ド電極とカソード電極との間に挟まれ、かつプロトン導
    電性を有するイオン交換膜とを備えた固体高分子型燃料
    電池において、前記イオン交換膜を除いて最も親水性の
    材料が、前記カソード電極に含まれるように構成された
    ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の固体高分子型燃料電池に
    おいて、親水性の材料を含んだ層が、カソード電極の触
    媒層と支持層との間に設けられたことを特徴とする固体
    高分子型燃料電池。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の固体高分子型燃
    料電池において、親水性の材料が、SiO2 ,Sn
    2 ,Al2 3 などの金属酸化物であることを特徴と
    する固体高分子型燃料電池。
  4. 【請求項4】 請求項2記載の固体高分子型燃料電池に
    おいて、触媒層と支持層との間に設けられた親水性の材
    料を含んだ層が、前記触媒層および前記支持層よりも薄
    く形成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
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