(57)【要約】【課題】過酸化水素による固体高分子電解質膜の劣化を防止し、更に、濃度勾配による水の移動を行い易くすることによりガスの拡散性を向上させる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】アノード側触媒層とカソード側触媒層は、電解質膜を挟んで相対する燃料ガス流路の下流部と酸化ガス流路の上流部と、電解質膜を挟んで相対する燃料ガス流路の上流部と酸化ガス流路の下流部とを含む所定領域に対応する、白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層と、前記所定領域以外の領域に対応する、白金を担体に担持する担持触媒層と、を有する。【選択図】図２
2010009780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極であって、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記電気化学反応における触媒としての白金を含むアノード側触媒層とを有するアノード電極と、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極であって、前記酸化ガスが流れる酸化ガス流路と、前記電気化学反応における触媒としての白金を含むカソード側触媒層とを有するカソード電極と、を備え、
前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層は、
前記電解質膜を挟んで相対する前記燃料ガス流路の下流部と前記酸化ガス流路の上流部と、該電解質膜を挟んで相対する該燃料ガス流路の上流部と該酸化ガス流路の下流部とを含む所定領域に対応する、白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層と、
前記所定領域以外の領域に対応する、白金を担体に担持する状態の担持触媒層と、
を有する、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンであるため、環境に対する影響が極めて少ない。そのため、燃料電池は、発電用、低公害の自動車用電源等の様々な用途に期待されている。
【０００３】
燃料電池は、固体高分子電解質膜の乾燥により固体高分子電解質膜への反応ガスの拡散性が低下するため、水分管理が重要である。そこで、反応ガスとしての燃料ガスと酸化ガスの上流部及び下流部の各々に触媒層が形成されていない部位であるカーボン層を加湿部とする燃料電池が開示されている（特許文献１参照。）。この燃料電池は、外部から給水する必要の無い自己加湿型であって、加湿システムが単純でコンパクトな加湿部を有する燃料電池を提供することが可能であると記載されている。
【０００４】
また、電極に担持触媒層は用いず、非担持触媒電極層を用いる燃料電池が開示されている（特許文献２参照。）。この燃料電池は、燃料欠等によって発生する炭素担体の酸化腐食及び過酸化水素の発生に伴う様々な問題の発生を抑制することが可能であると記載されている。
【０００５】
更に、アノード電極に非担持触媒層と担持触媒層を重ね、カソード電極に担持触媒層を使用する燃料電池が開示されている（特許文献３参照。）。この燃料電池は、触媒層の触媒の活性を最大限に発揮して単位電池の性能を向上させることが可能であると記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２５５８４号公報
【特許文献２】特開２００７−２８７４１４号公報
【特許文献３】特開２００７−３１１３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池は、固体高分子電解質膜の乾燥により反応ガスの拡散性が低下するため、水分管理が重要である。そこで、反応ガスとしての燃料ガス及び酸化ガスの上流部及び下流部の各々にカーボン層を設け、湿度交換をすることが可能な燃料電池が開発されている。しかし、カーボン層は、カソード電極で発生した過酸化水素を分解することができず、固体高分子電解質膜が過酸化水素ラジカルによって分解され劣化する可能性がある。また、過酸化水素を分解する白金が炭素に担持されると過酸化水素が生成し易くなる。更に、炭素に担持された白金は、炭素に担持されない白金と比較して膜が厚いため、濃度勾配による水の移動が行われにくく、ガスの拡散性が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記した問題に鑑み、過酸化水素による固体高分子電解質膜の劣化を防止し、更に、濃度勾配による水の移動を行い易くすることによりガスの拡散性を向上させる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記した課題を解決するために、アノード側触媒層の上流部と下流部、及びカソード側触媒層の上流部と下流部の配置を工夫した。これにより、固体高分子電解質膜の劣化を防止し、濃度勾配による水の移動を行い易くすることが可能である。
【０００９】
詳細には、本発明は、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極であって、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記電気化学反応における触媒としての白金を含むアノード側触媒層とを有するアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極であって、前記酸化ガスが流れる酸化ガス流路と、前記電気化学反応における触媒としての白金を含むカソード側触媒層とを有するカソード電極と、を備え、前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層は、前記電解質膜を挟んで相対する前記燃料ガス流路の下流部と前記酸化ガス流路の上流部と、該電解質膜を挟んで相対する該燃料ガス流路の上流部と該酸化ガス流路の下流部とを含む所定領域に対応する、白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層と、前記所定領域以外の領域に対応する、白金を担体に担持する状態の担持触媒層と、を有する。
【００１０】
本発明の燃料電池において、アノード電極が有する燃料ガス流路の上流部とカソード電極が有する酸化ガス流路の上流部は、ガスが流入する部分であるため乾燥し易い。一方、アノード電極が有する燃料ガス流路の下流部とカソード電極が有する酸化ガス流路の下流部は、ガスが流入する部分から遠い位置にあるため乾燥し難く、更に、カソード電極が有する酸化ガス流路の下流部は、電気化学反応によって水が生成されるため、湿潤している。従って、本発明の燃料電池は、燃料ガス流路の下流部と酸化ガス流路の上流部が電解質膜を挟んで相対し、燃料ガス流路の上流部と酸化ガス流路の下流部が電解質膜を挟んで相対するように配置されていることから、水の濃度勾配により、燃料ガス流路の下流部から酸化ガス流路の上流部へ、酸化ガス流路の下流部から燃料ガス流路の上流部へ水が移動される。
【００１１】
また、アノード側触媒層とカソード側触媒層は、燃料ガス流路の下流部と酸化ガス流路の上流部と、燃料ガス流路の上流部と酸化ガス流路の下流部とを含む所定領域に対応する、白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層を有する。この非担持触媒層は、カソード電極で生じた過酸化水素を分解することができる。従って、本発明の燃料電池は、過酸化水素が固体高分子電解質膜へ移動しないため、固体高分子電解質膜が過酸化水素ラジカルによって分解され劣化されることを抑えることが可能となる。
【００１２】
更に、上記非担持触媒層は、白金を担体に担持しない状態の触媒層であることから、担体に担持する白金よりも膜が薄く形成される。従って、燃料ガス流路の下流部から酸化ガス流路の上流部へ、酸化ガス流路の下流部から燃料ガス流路の上流部へ、水の濃度勾配により水が移動される場合、触媒層の膜厚が薄いため水の移動が行われやすい。また、カソード電極において、電気化学反応によって水が生成されるため、固体高分子電解質膜の含水率が向上し、固体高分子電解質膜が多湿な状態になった場合も、本発明の燃料電池は、濃度勾配による水の移動が行われやすいため、固体高分子電解質膜を適度な湿度を保つことが可能である。その結果、本発明の燃料電池は、ガスの拡散性を向上させることが可能である。
【００１３】
また、アノード側触媒層とカソード側触媒層は、燃料ガス流路の下流部と酸化ガス流路の上流部と、燃料ガス流路の上流部と酸化ガス流路の下流部とを含む所定領域以外の領域に対応する、白金を担体に担持する状態の担持触媒層を有する。従って、本発明の燃料電池は、非担持触媒層を有する所定領域以外の領域に白金を担体に担持させることにより、高価な白金の使用量を少なくすることが可能である。また、水素や酸素の酸化還元反応が白金の表面で起こるため、本発明の燃料電池は、白金を担体に担持する担持触媒層を有することにより白金の表面積が著しく減少せず、燃料電池の酸化還元反応の低下を防ぐことができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池は、燃料ガス流路の下流部と酸化ガス流路の上流部が電解質膜を挟んで相対し、燃料ガス流路の上流部と酸化ガス流路の下流部が電解質膜を挟んで相対すればよい。従って、燃料ガス流路の上流部における燃料ガスは、酸化ガス流路の下流部における酸化ガスが流れる方向と逆の方向に流れる必要はなく、且つ、酸化ガス流路の上流部における酸化ガスは、燃料ガス流路の下流部における燃料ガスが流れる方向と逆の方向に流れる必要はない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、過酸化水素による固体高分子電解質膜の劣化を防止し、更に濃度勾配による水の移動を行い易くすることによりガスの拡散性を向上させる燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここで、本発明の実施例に係る燃料電池について、図面に基づいて説明する。以下に示す実施例は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明の実施例に係る燃料電池の形態は、カウンターフロー式を用いるものとする。
【００１７】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１の断面図である。本発明の燃料電池は、図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜２と、燃料ガスが供給されるアノード電極３と、酸化ガスが供給されるカソード電極４を有する。
【００１８】
先ず、固体高分子電解質膜２について説明する。図１に示すように、固体高分子電解質膜２は、上面にカソード電極４を、下面にアノード電極３を有する。固体高分子電解質膜２は、燃料ガスと酸化ガスが直接反応しないように、これらを隔離し、アノード電極３に供給される燃料ガスをカソード電極４まで運ぶ。
【００１９】
次に、アノード電極３について説明する。図１に示すように、アノード電極３は、固体高分子電解質膜２の下面と接触して設けられる。アノード電極３は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路３２と、電気化学反応における触媒としての白金を含むアノード側触媒層３１とを有する。アノード側触媒層３１は、燃料ガス流路３２の上流部に白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層３１２と、燃料ガス流路３２の下流部に白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層３１３を各々有する。非担持触媒層３１２，３１３は、例えば白金黒であり、膜厚が１μｍの非常に薄い触媒層である。一方、燃料ガス流路３２の上流部と下流部以外の領域に対応するアノード側触媒層３１は、白金を担体に担持する担持触媒層３１１を有する。担持触媒層３１１は、燃料ガスがよく拡散し、水との接触面積が増えるように多孔質状となっており、非担持触媒層３１２，３１３に両側を挟まれる配置となっている。担持触媒層３１１は、例えば、膜厚が１０μｍのＰｔ／Ｃ触媒層である。
【００２０】
次に、カソード電極４について説明する。図１に示すように、カソード電極４は、固体高分子電解質膜２の上面と接触して設けられる。カソード電極４は、酸化ガスが供給される酸化ガス流路４２と、電気化学反応における触媒としての白金を含むカソード側触媒層４１とを有する。カソード側触媒層４１は、酸化ガス流路４２の上流部に白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層４１２と、酸化ガス流路４２の下流部に白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層４１３を各々有する。非担持触媒層４１２，４１３は、アノード側触媒層３１の非担持触媒層３１２，３１３と同様に、例えば白金黒であり、膜厚が１μｍの非常に薄い触媒層である。一方、酸化ガス流路４２の上流部と下流部以外の領域に対応するカソード側触媒層４１は、白金を担体に担持する担持触媒層４１１を有する。担持触媒層４１１は、酸化ガスがよく拡散し、水との接触面積が増えるように多孔質状となっており、非担持触媒層４１２，４１３に両側を挟まれる配置となっている。担持触媒層４
１１は、アノード側触媒層３１の担持触媒層３１１と同様に、例えば、膜厚が１０μｍのＰｔ／Ｃ触媒層である。
【００２１】
また、酸化ガス流路４２の上流部に有する非担持触媒層４１２は、固体高分子電解質膜２を介し、燃料ガス流路３２の下流部に有する非担持触媒層３１３と対向している。一方、酸化ガス流路４２の下流部に有する非担持触媒層４１３は、固体高分子電解質膜２を介し、燃料ガス流路３２の上流部に有する非担持触媒層３１２と対向している。また、カソード電極４の担持触媒層４１１は、固体高分子電解質膜２を介し、アノード電極３の担持触媒層３１１と対向している。所謂、本発明の実施例に係る燃料電池の形態はカウンターフロー型をしている。
【００２２】
図２は、本発明の実施例に係る燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１における水の移動を示す模式図である。図１及び図２に示すように、燃料電池において、アノード電極３の燃料ガス流路３２の上流部と、カソード電極４の酸化ガス流路４２の上流部は、ガスを流入する部位であるため乾燥し易い。一方、アノード電極３の燃料ガス流路３２の下流部と、カソード電極４の酸化ガス流路４２の下流部は、ガスを流入する上流部から遠い位置にあるため乾燥し難く、湿潤している。従って、本発明の実施例に係る燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、水の濃度勾配により、湿潤している燃料ガス流路３２の下流部に有する非担持触媒層３１３から、乾燥し易い酸化ガス流路４２の上流部に有する非担持触媒層４１２へ固体高分子電解質膜２を介して水５が移動される。同様に、湿潤している酸化ガス流路４２の下流部の非担持触媒層４１３から、乾燥し易い燃料ガス流路３２の上流部の非担持触媒層３１２へ固体高分子電解質膜２を介して、水の濃度勾配により水５が移動される。その結果、アノード電極３とカソード電極４の湿度交換が効率的に行われる。
【００２３】
また、カソード電極４の酸化ガス流路４２の下流部は、過酸化水素が発生し易いが、白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層４１３を有することにより過酸化水素を分解することが可能である。従って、固体高分子電解質膜２へ非担持触媒層４１３から水が移動される際に、過酸化水素が移動しないため、過酸化水素ラジカルによって固体高分子電解質膜２が分解され劣化することを防止することが可能である。
【００２４】
更に、本発明の実施例に係る燃料電池は、非担持触媒層４１３だけではなく、非担持触媒層３１２，４１２，３１３も白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層であるため、白金を担体に担持する状態の担持触媒層と比較して非常に薄い膜である。従って、本発明の実施例に係る燃料電池は、水の移動が行われ易く、ガスの拡散性が向上することが可能である。また、本発明の実施例に係る燃料電池は、カソード電極４において、酸素、電子及び水素イオンが反応して水５が生成されるため、固体高分子電解質膜２の含水率が向上し、水５の移動を促進することが可能である。また、生成された水５がカソード電極４の酸化ガス流路４２の下流部の非担持触媒層４１３に溜まりやすいが、固体高分子電解質膜２を介して、アノード電極３の燃料ガス流路３２の上流部の非担持触媒層３１２に水が移動されるため、多湿な状態にならず、本発明の実施例に係る燃料電池は、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１を適度な湿度を保つことが可能である。
【００２５】
また、アノード電極３とカソード電極４が、白金を担体に担持しない状態の非担持触媒層３１２，３１３，４１２，４１３を燃料ガス流路３２及び酸化ガス流路４２の上流部と下流部の所定領域に有し、白金を担体に担持する担持触媒層３１１，４１１を、上記所定領域以外に有する。従って、本発明の実施例に係る燃料電池は、高価な白金の使用量を少なくすることにより、製造コストを下げることが可能である。また、水素や酸素の酸化還元反応は白金の表面で起こるため、本発明の燃料電池は、白金の表面積が著しく減少せず、燃料電池の酸化還元反応の低下を防ぐことができる。
【００２６】
以上により、本発明の実施例に係る燃料電池は、過酸化水素による固体高分子電解質膜２の劣化を防止し、更に、濃度勾配による水の移動を行い易くすることによりガスの拡散性を向上させる燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）の断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）における水の移動を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１・・・電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）
２・・・固体高分子電解質膜
３・・・アノード電極
３１・・・アノード側触媒層
３１１・・・担持触媒層
３１２，３１３・・・非担持触媒層
３２・・・燃料ガス流路
４・・・カソード電極
４１・・・カソード側触媒層
４１１・・・担持触媒層
４１２，４１３・・・非担持触媒層
４２・・・酸化ガス流路
５・・・水
【図１】
2010009780.tif 000003
【図２】
2010009780.tif 000004