(57)【要約】【課題】電極触媒に金属黒を用いた燃料電池において、該燃料電池の電圧低下を抑制することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】プロトン伝導性を有する電解質膜２４と、電解質膜２４の各面にそれぞれ接触して設けられたアノード２６およびカソード２８と、を備える燃料電池１０において、アノード２６およびカソード２８の少なくとも一方には、白金黒が触媒として使用され、電解質膜２４は２．２ｍｅｑ／ｇ以上のイオン交換容量を有している。好ましくは、電解質膜２４は５．０ｍｅｑ／ｇ以下のイオン交換容量を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜の各面にそれぞれ接触して設けられた電極と、を備える燃料電池において、
前記電極の少なくとも一方には、金属黒が触媒として使用され、
前記電解質膜は、イオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、電極触媒に金属黒を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
このような燃料電池の触媒としては、微粒子の白金をカーボンに担持してなる白金担持カーボン触媒が主に使用されている。しかしながら、この白金担持カーボン触媒は、白金の溶出や担体であるカーボン上での過酸化水素の発生等が耐久性を確保する上での課題となっている。
【０００４】
そこで、例えば、特開２００８−１０８６０８号公報には、白金黒を触媒として用いた燃料電池が開示されている。より具体的には、この燃料電池では、ポリ四弗化エチレンと白金黒とを予め均一に混合し、ポリフッ化エチレン系繊維シート基盤上に適用して加圧成型した後、電解質膜上に転写した触媒層を使用することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０８６０８号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１０８８号公報
【特許文献３】特開２００５−２５９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した白金黒等の金属黒を用いた触媒層はカーボンを含有しないため、白金担持カーボンを用いた触媒層において問題となる過酸化水素の発生や白金の溶出等を抑制することができる。しかしながら、金属黒を用いた触媒層は、触媒と電解質膜との接着性に課題がある。すなわち、白金黒を用いた触媒層は、電解質表面との接着性が不十分となり、電気抵抗の増加や水溜りによる電圧低下が生じるおそれがあった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電極触媒に金属黒を用いた燃料電池において、該燃料電池の電圧低下を抑制することのでき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】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、プロトン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜の各面にそれぞれ接触して設けられた電極と、を備える燃料電池において、
前記電極の少なくとも一方には、金属黒が触媒として使用され、
前記電解質膜は、イオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、電極に金属黒を使用した燃料電池において、プロトン伝導性を有する電解質膜のイオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上とされる。このような電解質膜を用いると、金属黒を用いた触媒と電解質膜との接着性が十分に確保される。このため、本発明によれば、触媒の剥がれに起因する燃料電池の電圧低下を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２】電解質膜のイオン交換容量と電圧低下率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１２は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、プロトン伝導性の電解質膜２４を挟んでアノード２６とカソード２８とが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層（図示せず）をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００１３】
アノード２６およびカソード２８には、白金黒とイオン交換樹脂とを含有した触媒層が用いられている。尚、白金黒を用いた触媒層は、アノード２６およびカソード２８の何れか一方のみに用いられることとしてもよい。また、白金黒に替えて、他の金属黒を用いてもよい。
【００１４】
電解質膜２４には、イオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上、且つ５．０ｍｅｑ／ｇ以下の物性を有する膜が使用される。尚、電解質膜２４は、パーフルオロ系、非パーフルオロ系(炭化水素系)など、何れの電解質膜でもよい。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス（例えば、水素ガス）の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。
【００１５】
［実施の形態の特徴］
次に、本実施の形態の燃料電池１０の特徴について説明する。上述したとおり、本実施の形態のアノード２６およびカソード２８には、白金黒を用いた触媒層が設けられている。白金黒を用いた触媒層はカーボンを含有しないため、白金担持カーボンを用いた触媒層において問題となる過酸化水素の発生や白金の溶出等を抑制することができる。
【００１６】
しかしながら、白金黒を用いた触媒層は、触媒と電解質膜との接着性に課題がある。すなわち、白金黒を用いた触媒層は、電解質表面との接着性が不十分となり、電気抵抗の増加や水溜りによる電圧低下が生じるおそれがある。
【００１７】
そこで、本願の発明者は、後述する評価試験によって、電解質膜２４のイオン交換容量と電圧低下率との関係を評価した。その結果、電解質膜２４のイオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上では、電圧低下が顕著に抑制されることを見出した。これは、電解質膜のイオン交換容量を２．２ｍｅｑ／ｇ以上とすると、白金黒と電解質膜との接着性が十分に確保されるためと想定される。そこで、本実施の形態の燃料電池１０では、イオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上となる電解質膜２４を用いることとした。
【００１８】
また、電解質膜２４のイオン交換容量の上限は、５．０ｍｅｑ／ｇとした。これは,イオン交換容量がこれよりも大きくなると、殆どの電解質において水溶性が高くなり過ぎて、膜としての形状を維持できないからである。
【００１９】
以上説明したとおり、本実施の形態では、アノード２６およびカソード２８の触媒層に白金黒を用いた燃料電池１０において、イオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上５．０ｍｅｑ／ｇ以下の電解質膜２４を用いることとした。これにより、該電解質膜２４と白金黒触媒との接着性を十分に確保することができるので、電圧低下を効果的に抑制することができる。
【００２０】
［実施の形態についての評価試験］
次に、図２を用いて、実施の形態に示す発明の効果を確認するために行った評価試験について説明する。
【００２１】
（イオン交換膜容量測定）
電解質膜の乾燥重量を測定した後、ＨＣｌ水溶液で完全にプロトン型とし、ＮａＣｌ水溶液でナトリウム型とした。そして、イオン交換されたプロトンをＮａＯＨ滴定により定量した。
【００２２】
（ＭＥＡの作製手順）
電解質膜上に、白金担持触媒を含む電極触媒とプロトン伝導性を有する電解質からなるアノード電極と白金黒を含む電極触媒とプロトン伝導性を有する電解質からなるカソード電極とをスプレー塗布により形成し、両極にカーボンペーパーからなる拡散層を熱圧着させＭＥＡを作製した。
【００２３】
（耐久試験）
上記ＭＥＡを用いて、３分間のＯＣＶ（非発電）と、１分間の０．１Ａ／ｃｍ２の発電とを繰り返すサイクル試験をおよそ６０時間行った。尚、耐久試験前後における評価測定では、セル温度８０℃、アノード露点４５℃、カソード露点５５℃の低加湿条件で０．１Ａ／ｃｍ２の電圧値をそれぞれ測定した。
【００２４】
（試験結果）
図２は、電解質膜のイオン交換容量と電圧低下率との関係を示す図である。この図に示すとおり、イオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇの電解質膜を用いたＭＥＡ（実施例１）では、耐久試験前後の電圧低下率が０ｍＶであった。また、イオン交換容量が２．６ｍｅｑ／ｇの電解質膜を用いたＭＥＡ（実施例２）では、上記実施例１と同様に、耐久試験前後の電圧低下率が０ｍＶであった。更に、イオン交換容量が２．７ｍｅｑ／ｇの電解質膜を用いたＭＥＡ（実施例３）では、上記実施例１および実施例２と同様に、耐久試験前後の電圧低下率が０ｍＶであった。
【００２５】
一方、イオン交換容量が１．１ｍｅｑ／ｇの電解質膜を用いたＭＥＡ（比較例１）では、耐久試験前後の電圧低下率が３８ｍＶであった。また、イオン交換容量が１．７ｍｅｑ／ｇの電解質膜を用いたＭＥＡ（比較例２）では、耐久試験前後の電圧低下率が４１ｍＶであった。
【００２６】
上記試験結果から、比較例１および比較例２では、実施例１〜実施例３に比べて大きく電圧が低下したことが分かる。このことから、電解質膜のイオン交換容量が２．２ｍｅｑ／ｇ以上のＭＥＡを用いることで、電圧低下を効果的に抑制できることが分かる。
【符号の説明】
【００２７】
１０  燃料電池
１２  単位電池
１４  発電体
１６  ガス流路
１８  セパレータ
２０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
２４  電解質膜
２６  アノード
２８  カソード
【図１】
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【図２】
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