(57)【要約】導電性材料のメッシュ(30)である担体に担持された電極触媒(32)を含む電極を有する燃料電池(1)、ならびに燃料および酸化剤を該電極に接触させることによりそのような電極を動作させる方法を開示する。
2005537618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
担体上に電極触媒(32)を含む電極を有する燃料電池(1)であって、該担体が導電性材料のメッシュ(30)である、前記燃料電池。
【請求項２】
前記電極がアノードである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池がカソード(7)と電解質(6)とを含み、前記アノードおよび該カソードが該電解質のすぐ隣に位置する、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質(6)がイオン交換膜である、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電極触媒(32)が、金属、金属合金、金属酸化物、または金属水素化物である、請求項１〜４のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記メッシュ(30)が5μmの最小細孔サイズを有する、請求項１〜５のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記メッシュ(30)が50μmの最小細孔サイズを有する、請求項１〜５のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記メッシュ(30)が複数の層(40)を含む、請求項１〜７のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記メッシュ(30)の隣接層が互いに角度をなして配置される、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記メッシュ(30)が、金属、金属合金、および金属複合体から選択される導電性材料で作製されている、請求項１〜９のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記メッシュ(30)がチタンまたはチタン合金から作製されている、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記電極触媒(32)と前記メッシュ(30)との間に少なくとも1層の中間層が存在する、請求項１〜１１のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
導電性材料のメッシュ(30)上に電極触媒(32)を含む前記電極に燃料(20)および酸化剤を接触させるステップを含む、請求項１〜１２のいずれか1項に記載の燃料電池の動作方法。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか1項に記載の、導電性材料のメッシュ(30)上に電極触媒(32)を含む電極の、燃料電池における使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、燃料電池に関し、とくに、燃料電池に使用される電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとを分離する電解質と、を含む。燃料電池は、アノードに燃料を送給するための入口室すなわちアノード室と、カソードに酸化剤を送給するための入口室すなわちカソード室と、を有する。最も簡単な燃料電池は、たとえばニッケル電極で水素を酸化して水を生成するものである。酸素ガスがカソードに送給され、そこで還元されて水酸化物イオンを生成し、水素がアノードに送給され、そこで酸化されて水を生成する。ニッケルは触媒として作用する。アノードとカソードとを接続する外部回路を通って電子が流れることにより、電流を生じる。
【０００３】
燃料電池は、他の発電技術よりも優れたいくつかの利点を有する。たとえば、燃料電池は、一般に、燃焼機関よりも効率的であり、水素が燃料である場合、排出物が少なく、しかもかりに可動部品が存在したとしてもごくわずかであるため、動作は非常に静かである。
【０００４】
従来の水素燃料電池では、水素は、アノードで反応してエネルギーを放出する。しかしながら、水素燃料電池に付随するいくつかの欠点が存在する。たとえば、水素はガスであるので貯蔵するのに困難を伴いかつ費用がかかり、しかも容易に入手できる燃料源ではない。水素の反応速度を増大させるために、電極の表面積や電池の動作温度を増大させたり、触媒を用いたりすることができる。プロトン交換膜燃料電池(PEM)、アルカリ燃料電池、酸燃料電池、リン酸燃料電池(PAFC)、固体酸化物燃料電池(SOFC)、および溶融炭酸塩燃料電池(MCFC)を含めて、いくつかの燃料電池技術が知られている。
【０００５】
液体供給燃料電池は、固定型/携帯型エネルギー源用途および輸送機関用途で水素燃料電池に代わる魅力的な手段であり、水素ガスの輸送および貯蔵に付随する問題を回避する。メタノール、エタノール、およびジメチルエーテルのような燃料を液体供給系で使用することができる。動作時、液体供給燃料電池は、アノードで燃料を直接酸化し、二酸化炭素を放出する。燃料は、典型的には、直接メタノール液体供給燃料電池(DMFC)の場合のように水溶液中に存在する。
【０００６】
公知の燃料電池で行われる反応の一例は、アルカリ性条件下におけるDMFC内でのメタノールの酸化であり、次のように表される。
【０００７】
(Ia)カソード：  1.5O2 + 3H2O + 6e- → 6OH-
(Ib)アノード：  CH3OH + 6OH- → CO2 + 5H2O + 6e-
第2の例は、酸性条件下におけるメタノールの酸化であり、次のように表される。
【０００８】
(IIa)カソード：  1.5O2 + 3H+ + 6e- → 3H2O
(IIb)アノード：  CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
これらの例では、総括反応は次のとおりである。
【０００９】
(III)  CH3OH + 1.5O2 → CO2 + 2H2O
この反応では、CO2はアノードで放出される。
【発明の開示】
【００１０】
発明の概要
本発明者らは、公知の燃料電池内の電極構造体に関連する問題を明らかにした。従来の電極構造体は、電極表面からの反応生成物の拡散除去が不十分であるという問題を抱えている。このため、燃料は電極表面に到達することが困難になっている。簡単に言うと、電極表面における電気化学反応の生成物または副生物が効率的に除去されないため、燃料の流入が阻害されている。この問題は、生成物がガスである場合、とくに重大である。なぜなら、電極表面上のガスの蓄積は、液体燃料の流入に対する大きな障壁になるからである。とくに、DMFCのような公知の炭化水素系流体燃料電池内のアノードにおけるCO2ガスの生成により、アノード表面への炭化水素系燃料の接近が阻止されると、触媒の効率が低下しかつアノード抵抗が増大する。アノードとカソードとを分離する電解質膜を有する従来の燃料電池に関連するさらなる問題は、電極で生成された気泡が膜に付着して電池抵抗をさらに増大させることである。
【００１１】
従来の燃料電池電極は、本質的に、一連の層、すなわち、担持触媒層、PTFE結合カーボンブラック拡散層、およびカーボンクロスまたはカーボンペーパー拡散層を含む。本発明者らは、この電極構造体が電極からのガスまたは他の生成物の輸送および放出に理想的なものでないため、アノードにおける燃料の流体力学的物質輸送がかなりの制約を受けている可能性があることを見いだした。言い換えれば、公知の燃料電池電極構造体では、ガスまたは他の生成物が電極表面から効率的に除去されない。本発明者らは、これが従来のアノード構造体に特有の問題であることを見いだした。
【００１２】
これにより、顕著な電極分極すなわち電圧降下を生じる。確かに、電極の可逆的理想電圧を低下させるすなわちそれに抵抗するように作用する過電圧である電極分極の度合は、従来の燃料電池の物質輸送問題の有用な尺度である。
【００１３】
本発明者らは、メッシュ電極構造体を備えた燃料電池を提供することにより、この問題に対処した。
【００１４】
第1の態様において、本発明は、担体上に電極触媒を含む電極を備え、該担体が導電性材料よりなるメッシュである、燃料電池を提供する。
【００１５】
第2の態様において、本発明は、導電性材料よりなるメッシュ上に電極触媒を含む電極に燃料および酸化剤を接触させるステップを含む燃料電池の動作方法を提供する。
【００１６】
第3の態様において、本発明は、燃料電池における導電性材料よりなるメッシュ上に電極触媒を含む電極の使用を提供する。
【００１７】
次の解説、定義、および好ましい特徴は、本発明のすべての態様に適用される。
【００１８】
本発明は、とくに、メッシュアノード構造体に関する。
【００１９】
燃料電池
本発明に係る燃料電池は、燃料の酸化を利用して電気を発生させるガルバニ電池である。より特定的には、燃料の酸化が電極で起こることにより、電流が電極中に発生する。燃料電池は、好適には、アノードとカソードとを含み、アノードとカソードの一方または両方が本発明の電極であろう。好ましくは、本発明の電極は、燃料電池の動作時にアノードとして機能する。使用時、燃料電池は、アノードをカソードから分離する電解質を含む。したがって、燃料電池は、好ましくは、電極と電解質とを含む。好ましくは、電解質は膜電解質である。これについては以下で論述する。使用時、燃料電池は、アノードをカソードに接続する電気回路をも含むであろう。したがって、好ましくは、燃料電池は、アノードをカソードに接続する電気回路を含む。アノードにおける燃料の酸化とカソードにおける酸化剤の還元とにより、外部回路に電流が発生する。
【００２０】
燃料電池は、燃料および酸化剤に対する個別室(アノード室およびカソード室と呼ばれる)を有する分割型燃料電池であってもよいし、燃料および酸化剤が単室内で混合される非分割型燃料電池であってもよい。
【００２１】
電池が単室を含み、単室内で燃料および酸化剤が混合される場合、アノードおよびカソードは、直接電気接触状態であってもよいし、電極周囲で外部接触されていてもよい。他の選択肢として、アノードおよびカソードは、バイポーラ電極の一部分として電気接触状態をとることもできる。バイポーラ電極は、典型的には、アノード層とカソード層とを対向面上に堆積させた導電性担体を含む。本発明の実施形態では、担体は、導電性材料よりなるメッシュである。
【００２２】
アノード室とカソード室とを含む燃料電池では、2室は、それぞれ、燃料または酸化剤のリザーバーになり、燃料または酸化剤をそれぞれアノードまたはカソードに送給するように適切に設計される。好適には、アノードまたはカソードと燃料または酸化剤との大きな接触領域が存在する。アノード室およびカソード室の1つの壁の少なくとも一部分をそれぞれアノードおよびカソードで形成することにより、燃料および/または酸化剤が電極に到達できるようにすることがさらに好ましい。
【００２３】
アノード室とカソード室とを含む燃料電池では、燃料電池は、アノード室をカソード室から分離するさらなる中央室をも含みうる。
【００２４】
分割型および非分割型燃料電池のいずれにおいても、単室または複数室は、典型的には、ガスまたは揮発性液体の燃料をその室内で使用できるように密封される、すなわち気密であろう。好適には、電極室は、燃料および/または酸化剤を受容するための少なくとも1つの入口を有する。燃料および酸化剤に対する個別の入口を設けてもよい。燃料および酸化剤は、電池に送入する前に混合一体化させてもよいし、燃料電池の内部で混合一体化させてもよい。燃料電池は、使用済み燃料、反応の生成物および副生物を送出するための少なくとも1つの出口を含む。電池がアノード室とカソード室とを有する場合、各室は、少なくとも1つの入口と少なくとも1つの出口とを有しうる。したがって、本発明の燃料電池は、ガス状基質または揮発性液体と併用すべく、入口と出口とを有する密封電極室を含みうる。入口および/または出口は、電極室への流体の送入および電極室からの流体の送出を方向付けて逆流を防止するためのバルブを含みうる。好ましい構成では、燃料電池は、アノード室とカソード室と膜電解質とを含む。
【００２５】
複数のアノード-カソード動作ペアが単一の燃料電池内で動作しうるように、燃料電池は、複数の電極構造体を含みうる。たとえば、電池は、バイポーラプレートによりまたは電極の周囲に接続された外部接続により接続された複数の膜電極アセンブリー(以下に記載)を含みうる。
【００２６】
燃料電池は、燃料電池を加熱するためのヒーターを含んでいてもよく、とくに、電極における反応速度の増大および/または燃料の揮発のための電極室を含んでいてもよい。好適には、ヒーターは、動作時に、30〜300℃の範囲内で、好ましくは30〜200℃の範囲内で、燃料電池を加熱できるものである。ヒーターは、一体型ヒーターであってもよく、燃料電池本体内さらには電極室内に配置しうる。
【００２７】
燃料電池は、高圧で、たとえば、燃料電池内の酸素の濃度を増大させるために過圧空気を使用して、動作させることができる。燃料電池は、0.1〜20MPa、好ましくは0.1〜10MPa、最も好ましくは0.1〜5MPaで動作させうる。
【００２８】
燃料電池は、静止型電池の形態をとることもできるし、ロータリー電池、すなわち、遠心機等により回転または高速回転させて遠心力場を発生させることのできる燃料電池の形態をとることもできる。ロータリー燃料電池では、回転により遠心力を発生させて電極の表面からのガスの移動を支援し、性能を向上させることができる。
【００２９】
燃料電池は、当業者に公知のいくつかのタイプ、たとえば、プロトン交換膜燃料電池(PEM)、アルカリ燃料電池、酸燃料電池、リン酸燃料電池(PAFC)、固体酸化物燃料電池(SOFC)、または溶融炭酸塩燃料電池(MCFC)のうちの1つでありうる。
【００３０】
燃料
本発明の燃料電池は、液体または気体の燃料と酸化剤とにより動作する。燃料電池は、液体供給物のみを存在させて、あるいは液体をガスもしくは蒸気と共に導入するかまたは反応(たとえば、カソードにおける酸素の還元)により生成させて、使用しうる。液体燃料の例としては、炭化水素類、たとえば、メタノール、ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、ホルムアルデヒド、トリオキサン、エチレングリコール、ジメチルオキサレート、メチレンブルー、ギ酸、メタノール、およびエタノール、または無機燃料、たとえば、水素化ホウ素ナトリウムもしくは類似の水素化物が挙げられる。気体燃料の例としては、水素、メタン、エタン、プロパン、塩素、一酸化炭素、および高級炭化水素が挙げられる。
【００３１】
酸化剤の例としては、酸素、過酸化水素、有機ペルオキシド類、無機種、たとえば、フェロキシ(ferroxy)アミド類、バナジウム、クロム、鉄などのような高酸化状態金属を含有する塩水溶液、およびハロゲン類が挙げられる。
【００３２】
電極で反応する際の燃料電池内部の燃料の物理的状態は、燃料電池に送入される際の燃料の物理的状態と異なっていることもある。たとえば、メタノール溶液を、電池に送入する前に蒸発させたり、電池内で蒸発が起こるような温度および圧力で供給したりすることができる。燃料はまた、常温常圧下で蒸気であってもよい。典型的には、高温で燃料電池を動作させるので、電池内部の電極で反応させる前に、電池に送入する液体燃料を部分的に蒸発させることも可能である。本明細書中で言及される液体燃料または気体燃料は、電極における燃料と対比して、燃料電池に送入される燃料を意味する。
【００３３】
メッシュ
本発明のメッシュは、ワイヤー、ファイバー、またはストランドの格子または網状構造を含む開放多孔質構造体である。ワイヤー、ファイバー、またはストランドにより、細孔または開口が規定され、メッシュは、5μmの最小細孔サイズを有する。好ましくは、最小細孔サイズは、10μm、より好ましくは20μm、最も好ましくは50μmである。
【００３４】
典型的には、メッシュは1層以上の層を含み、各層は、ストランド、ファイバー、またはワイヤーの第2のセットによりインターリーブまたはオーバーレイされたストランド、ファイバー、またはワイヤーの第1のセットを含む。各層は、たとえば、グリッドまたは細目網であってもよい。好ましくは、メッシュは複数のグリッドを含む。好ましくは、メッシュは複数の層を含み、各層は隣接層に対して角度をなして配置されるかまたは軸をずらして配置される。好ましくは、隣接層は実質的に直交する。ストランド、ファイバー、またはワイヤーにより層を連結一体化させることが可能であり、これらのストランド、ファイバー、またはワイヤーは、好適には、層に対して実質的に垂直に延在し、しかもこれらのストランド、ファイバー、またはワイヤーは、メッシュのさらなる細孔または開口を規定する。導電性接着剤、ボンディング剤、または半田により、層を連結一体化させることも可能である。
【００３５】
したがって、メッシュは、構造体を貫通する流体(とくにガス)の移動を可能にする相互連結されたチャネルの網状構造を含む三次元開放セル構造体を有する。
【００３６】
メッシュは、電極触媒に対する担体であるとともに、構造的一体性を備えた電極を提供する。好適には、それは電流コレクターとして作用する。
【００３７】
メッシュを構成するワイヤー、ファイバー、またはストランドの厚さは、少なくとも5μmである。好ましくは、10μm〜5mmの範囲である。より好ましくは、ストランド厚さは、50μm〜1mmの範囲である。最も好ましくは、ストランド厚さは、50〜500μmの範囲である。小さいストランドサイズを使用することが望ましい。なぜなら、大きい表面積対重量比および表面積対体積比を達成することができるからである。ストランドの形状(すなわちその断面)は、任意の形状であってよいが、典型的には長方形、三角形、または菱形である。上記の好ましいストランドの厚さは、ストランドの最大断面寸法に相当する。
【００３８】
メッシュの細孔サイズまたは開口サイズは、電極の表面で形成された液体およびガスの生成物がメッシュを通過できるように選択される。細孔サイズは、少なくとも5μm、好ましくは5μm〜1mmの範囲である。好ましくは、細孔サイズは、50μm〜500μmの範囲である。より好ましくは、細孔サイズは、75μm〜200μmの範囲である。
【００３９】
小さい細孔サイズと小さいストランドサイズとの組合せが好ましい。なぜなら、これによりメッシュの重量または体積に対する最適な表面積が提供され、電極のサイズを最小限に抑えることができるからである。本発明の燃料電池は、携帯可能または移動可能な装置で利用されるので、寸法または重量の減少は有利である。
【００４０】
細孔およびストランドの寸法を規定する代替法は、「メッシュ」すなわち1インチあたりの孔の数である。本発明のメッシュ担体は、少なくとも10メッシュ、好ましくは少なくとも20メッシュ、より好ましくは少なくとも40メッシュである。メッシュ担体は、好ましくは200未満のメッシュ値を有する。本発明のメッシュは20〜100メッシュの範囲であることが好ましい。これは、ワイヤー直径が0.2mmである場合、1mm〜50μmの細孔サイズ範囲に相当する。
【００４１】
好ましいメッシュ構造体は、ミニメッシュである。ミニメッシュとは、約30メッシュを超えるメッシュサイズ(すなわち、ワイヤー直径が0.2mmである場合、約640μm未満の細孔サイズ)を有するメッシュ構造体を意味する。
【００４２】
メッシュの表面積が大きければ、高いガス生成速度のときでさえも、電極表面領域を燃料の吸着および反応に利用することができる。メッシュの自由体積が大きければ、表面が内表面であるときでさえも、メッシュの表面に形成された気泡は電極から逃散することができる。本明細書中で使用する場合、自由体積という用語は、ストランド、ファイバー、またはワイヤーにより占有されないメッシュ構造体内の体積を意味する。
【００４３】
導電性材料よりなるメッシュ、とくに金属メッシュは、バインダーをまったく用いることなく形成される物理的に安定なかつ自立性の構造体である。
【００４４】
本発明のメッシュは、メッシュ中に電流を発生させる電子の流動を可能にする導電性材料から作製される。メッシュは、金属、金属合金、および金属複合体をはじめとする任意の導電性材料から作製可能である。好ましい導電性材料の例としては、Ti、Ti/Ni、Ti/Cr、Ti/Cr/Ni、Ta、Ni、Cr、Al、炭素、およびステンレス鋼が挙げられる。メッシュは、酸化物または窒化物、たとえば、TiO2およびTiNを含みうる。メッシュは、燃料電池の動作時に腐食性物質に暴露されるので、好ましくは、メッシュは、TiまたはTi合金のような耐食性材料から作製される。好ましくは、材料は、高温における燃料電池の動作を可能にする耐火性材料である。
【００４５】
メッシュの耐食性を向上させたり、メッシュと電極触媒との間の改良された接着性を提供したりするために、たとえばPtまたはAuの層でメッシュをコーティングすることも可能である。たとえば、電気堆積または化学(無電解)堆積により、薄いコーティング層を適用することが可能である。
【００４６】
メッシュつまり電極の全体形状は、電極が使用される燃料電池の要求基準に依存する。典型的には、メッシュは、膜電極アセンブリーを形成すべく膜電解質に容易に装着することのできるフラットなメッシュであろう。他の選択肢として、メッシュを特定の形状に造形することも可能である。たとえば、波形のメッシュを造形することも可能である。メッシュはまた、ロータリー電池に使用するのに望ましいと思われる円筒形の本体を形成すべく渦巻形のメッシュであってもよい。電極担体はまた、毛管形に造形されたメッシュの組合せから形成することも可能である。そのような幾何学形状により、単位体積あたりの電極面積および燃料電池のエネルギー密度を改善することができる。メッシュ担体は、所望のサイズおよび形状に切断および造形することにより、一体のメッシュから形成することも可能である。
【００４７】
燃料電池の構成には、一般に、フラットなメッシュ電極と、たとえば並列に配置された膜と、が含まれる。他の選択肢として、コンパクトな円筒形燃料電池を形成すべく、先に述べたように渦巻形に電極および高分子膜を配置することも可能である。
【００４８】
メッシュの厚さは、燃料電池のサイズおよび要求基準により規定される。典型的には、メッシュは、約5mm未満、好ましくは約1mm未満の厚さを有する。
【００４９】
電極触媒
電極触媒は、燃料電池内の電極において燃料または酸化剤の酸化または還元を触媒する物質である。本明細書で使用される酸化という用語は、基質上で行われる電気化学反応により基質が電子を失うことを意味する。逆に、本明細書で使用される還元という用語は、基質上で行われる電気化学反応により基質が電子を獲得することを意味する。典型的には、電極触媒は、金属、金属合金、金属酸化物、または金属水素化物である。電極触媒の例は、Au、Pt、Pt/Ru、Pt/Ru/Ir、Pt/Sn、Pt/Sn/Ru、Ru/Se、Ta、W、Rh、Mo、Co、Fe、Pd、Ni、Mn、およびAg酸化物である。電極触媒の性質は、触媒される反応が酸化反応であるかまたは還元反応であるかに依存する。また、燃料および酸化剤の性質に依存する。なぜなら、これにより、必要とされる触媒活性が規定されるからである。たとえば、燃料が水素化ホウ素ナトリウムまたは他の水素化物である場合、好ましくは、Ptおよび/またはAuが燃料の酸化に使用される。他の選択肢として、燃料がアルカリ性条件下のジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、ホルムアルデヒド、トリオキサン、エチレングリコール、またはジメチルオキサレートである場合、電極触媒は、好ましくは、Pt、Pd、Mn、Ni、およびAg酸化物から選択される。燃料がギ酸、メタノール、またはエタノールである場合、酸性条件では、電極触媒は、好ましくは、Pt、Pt/Ru、Pt/Ru/Ir、Pd、Pt/Sn、およびPt/Sn/Ruから選択される。
【００５０】
電極触媒がカソードで酸化剤(たとえば酸素)の還元を触媒する場合、Pt、Pt/Co、Pt/Ni、Pt/Cr、Pt/Fe、Pt/Co/Cr、Pd、Ag、Ni、Ru、またはRu/Seから選択可能である。
【００５１】
電極触媒は、電極における化学反応の活性または選択率を改善するために共触媒を含んでいてもよい。共触媒の例としては、Ir、Rh、Os、Co、およびCrが挙げられる。
【００５２】
電極触媒は、メッシュ担体上に層またはコーティングとして存在する。好適には、電極触媒層は、メッシュのストランド上にのみ存在し、細孔およびチャネルは、実質的にカバーされていない状態で残存する。
【００５３】
電極触媒は、直接にまたは1層以上の中間層を介してメッシュに連結される。中間層は、電極触媒とメッシュとの間の接着性を改善したり、メッシュへの電極触媒の直接的連結が不可能もしくは不十分である場合にメッシュへの電極触媒の連結を促進することが可能である。好適な中間層は、メッシュの表面と比較して、電極触媒を堆積させる増大された表面積を提供しうる。たとえば、多孔質中間層は、電極触媒を堆積させる増大された表面積を提供することにより、触媒の利用可能表面積を増大させることが可能である。好適な中間層の作製に使用される材料の例としては、Au、Pt、Ni、およびCuが挙げられる。電極触媒は、2つの材料間の化学結合および/または物理的相互作用により、メッシュまたは中間層に連結させうる。
【００５４】
電極触媒層は、公知の方法を用いて、たとえば、触媒を含有するペーストもしくは懸濁物を適用するなどの物理的方法を用いて、または電気堆積、化学堆積、熱酸化、熱還元、もしくは化学気相堆積(CVD)のような堆積法を用いて、電極触媒を直接適用することにより、メッシュ上または中間層上に形成される。
【００５５】
電解質
使用時、燃料電池は電解質を含む。電解質は、電子ではなくイオンのような荷電種の通過を可能にすることにより電気を通す媒体である。電解質は、アニオン伝導性および/またはカチオン伝導性でありうる。電解質は、アノードとカソードとの間に位置し、2つの電極を分離する。好適には、アノードおよびカソードは、電解質のすぐ隣に存在する。それにより、電子以外の荷電種は、一方の電極から他方の電極に移動することができる。それはまた、中性種に対しても透過性でありうる。電解質は、液体であっても固体であってもよい。電解質は、特定のイオンまたは中性種に対してのみ透過性であるという点で選択性がありうる。電解質は、カチオン伝導性のカチオン交換膜またはアニオン伝導性のアニオン交換膜のようなイオン交換膜でありうる。イオン交換膜は、アノードおよびカソードにおける電解プロセスに関与する少なくとも1種のイオンを通過させる任意の好適な物質でありうる。
【００５６】
膜は、輸送されるイオンのタイプに応じて分類されうる。すなわち、次のように分類されうる。
【００５７】
カチオン移動型： H+またはNa+のような正に荷電したイオンの輸送に対して選択性がある；
アニオン移動型： OH-、Cl-、O2-、CO32-のような負に荷電したイオンの輸送に対して選択性がある；
バイポーラ型： 膜を横切って電位差を印加することにより、水をH+およびOH-に分割することができる。
【００５８】
膜はまた、その材料により分類することもできる。すなわち、無機膜、有機膜、または無機/有機複合膜に分類することができる。
【００５９】
有機膜の例としては、側鎖をもつもしくはもたないフルオロカーボン、炭化水素、または芳香族のポリマーをベースとする膜、たとえば、カチオン交換用にスルホネートおよびカルボキシレートならびにアニオン交換用にアミンのような活性交換基を有するジビニルベンゼンをベースとする膜が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００６０】
とくに好ましい有機膜としては、フルオロスルホネートイオノマー(ionmer)であるNafion、より特定的にはペルフルオロスルホン酸PTFEコポリマー、およびアミン系交換基を有するFumatech FT-FKE-Sが挙げられる。
【００６１】
無機膜の例としては、固定化された酸を有するナノ多孔質膜、たとえば、SiO2/PVDFバインダー/硫酸が挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００６２】
有機/無機複合膜の例としては、Nafion/ホスフェート、Nafion/シリカ、およびNafion/ZrO2が挙げられる。
【００６３】
電解質はまた、固定化電解質すなわち定置電解質であってもよい。他の好適な電解質としては、固定化イオン伝導体および水性電解質、たとえば、プロトン伝導性、水酸化物伝導性、およびアルカリ金属伝導性の電解質、たとえば、イオン性液体が挙げられる。電解質は、複合体、ポリマーの混合物、無機の塩、酸、または酸化物でありうる。電解質の他の例は、イオンを溶解させることのできる溶融イオン性化合物である。好ましくは、電解質は、膜、好ましくはポリマー膜である。好ましくは、ポリマー膜は、ペルフルオロスルホン酸PTFEコポリマー、たとえば、Nafion、またはFumatech FT-FKE-Sである。
【００６４】
アノードとカソードとの間の分離の大きさすなわち電解質の厚さは、燃料電池のサイズに依存するであろう。典型的には、アノードとカソードとの間の分離は小さいので、電解質の厚さも小さい。これは電解質の抵抗を減少させるという利点を有する。典型的には、電解質は、1mm未満の厚さを有する。より好ましくは、電解質は、200μm未満、より好ましくは100μm未満の厚さを有する。好ましくは、電解質は、ポリマー電解質膜、固定化イオン伝導体、および水溶液よりなる群から選択される。電解質が固体たとえばポリマー膜である場合、電極は、典型的には、たとえばホットプレス法を用いて電解質に直接装着される。他の選択肢として、電解質を電極上に物理的に保持することができる。
【００６５】
一実施形態では、電解質でもあるフッ素化ポリマーの選択透過性イオノマーコーティングを用いて、ミニメッシュアノードおよびカソードを互いに装着させる。
【００６６】
本発明の燃料電池電極は、広範にわたる燃料電池で使用しうるが、ガスとくにCO2が電極で発生する燃料電池でとくに利点を有する。
【００６７】
本発明の燃料電池電極を用いれば、公知の燃料電池電極構造体と比較して、電極表面における物質輸送の制約が低減される。
【００６８】
電極構造体は、電極表面上の電極触媒からの酸化生成物とくにガス生成物の放出を促進および助長することにより、物質輸送を改善して電極分極または過電圧を低減させる。
【００６９】
電極は、任意の流体媒体中で動作するが、水、酸性および塩基性の水溶液、有機溶媒、イオン性液体、およびそれらの組合せのような液体に対してとくに有用である。燃料電池の場合の有機燃料は、典型的には、メタノール、エタノール、ジメチルホルメート、エーテル類、または他のアルコール類である。
【００７０】
本発明の燃料電池のメッシュ担持型電極触媒は、アノード過電位挙動の向上を提供し、液体燃料の酸化時の電極表面からの気体発生の改善を助長する。これにより、燃料電池性能が改善される。
【００７１】
本発明から得られるさらなる利点としては、出力密度が高くなったことおよび利用可能な燃料濃度の範囲がより大きいことに起因して動作の柔軟性が高くなったことが挙げられる。さらに、本発明は、メッシュおよび被覆電極構造体の製造に関する公知の専門技術を用いて製造することのできる比較的単純な電極構造体を提供する。本発明はまた、従来の構成のカーボンクロスおよびバイポーラプレートの導電性の制約を回避することができるので、薄い軽金属コンポーネントをベースにしたより汎用性のある電池設計を提供する。
【００７２】
本発明によれば、低い燃料濃度の使用が可能である。これから生じる利点としては、メタノールのクロスオーバーが低減されるので、電極分極が低減されること、メタノールの転化率が増大されること、および排気ガス中のメタノール含有率が低減されること、その結果として、エネルギー効率が改善されることならびに環境問題およびシステムコストが低減されることが挙げられる。
【００７３】
本発明に係る好ましい燃料電池は、電極アセンブリーにより分離されたアノード室とカソード室とを有する分割型電池を構成するDMFCである。アノード室およびカソード室は、それぞれ、入口および出口を有する。電極アセンブリーは、膜電解質により分離されたアノードとカソードとを含む。アノードは、酸化電極触媒でコーティングされた金属メッシュ担体を含む。アノードおよびカソードは、膜電解質の対向面に接合されて膜電極アセンブリーを形成する。膜電解質は、水、プロトン、および水酸化物イオンに対して透過性をもつポリマー電解質である。アノードおよびカソードは、外部回路を介して電気接続される。
【００７４】
使用時、燃料(メタノール)は、水溶液として入口を通ってアノード室に入り、アノードを通り過ぎる。空気の形態の酸化剤(O2)は、入口を通ってカソード室に入り、カソードを通り過ぎる。メタノール水溶液の水は、膜を通過してカソードに達し、還元電極触媒上でO2およびカソードからの電子と反応して水酸化物イオンを生成する。水酸化物イオンは、膜の両側間の水酸化物濃度勾配により、水の流動と反対方向に膜を通って移動する。アノードでは、メタノールと水酸化物イオンとが酸化電極触媒上で反応して、水、CO2、およびアノードに流入する電子を生成する。アノードで生成されたCO2は、アノードがメッシュ構造体であるおかげでアノード表面から拡散除去可能であるので、電極触媒の活性部位またはその近傍におけるCO2の蓄積が回避される。アノードにおける電子の連続的生成およびカソードにおける電子の消費により、外部回路内に電極間の電子の流動が生成され、電流が確立する。2つの電極反応の水生成物および水酸化物イオン生成物は、それ自体反応物であり、CO2は、反応の化学にそれ以上関与しない最終生成物である。CO2は、アノード表面のメッシュに担持された酸化電極触媒上で生成される。メッシュ構造体は、CO2を触媒活性部位から拡散除去することができるので、電極触媒上へのCO2の蓄積を防止する。CO2は、それ自体の浮力または燃料供給物の流動によりアノード室から除去され、出口を通って室から出る。カソード室内の酸素枯渇空気は、新たな空気の一定した流入により室から除去される。
【００７５】
次に、単なる例として添付の図を参照しながら本発明について説明する。
【００７６】
実施形態の詳細な説明
従来の燃料電池を図1に示す。この公知の構成では、燃料電池1は分割型電池であり、アノード室2とカソード室3とを含む。層状電極構造体4は、アノード室とカソード室とを分離し、アノード構造体5と、膜6と、カソード構造体7と、を含む。アノード構造体およびカソード構造体は、それぞれ、4層、すなわち、膜に隣接した触媒層8, 12と、ガス拡散層9, 13と、カーボンペーパーまたはカーボンクロス10, 14と、構造体の外面上の電流コレクター11, 15と、を含む。
【００７７】
膜は、水、ガス、およびイオンに対しては透過性であるが、電子に対しては透過性でない。アノード電流コレクター11およびカソード電流コレクター15は、抵抗器16と電流計17とを含む回路により電気接続されている。電流計17を用いて、燃料電池により生成された電流を測定することができる。電圧計18により、抵抗器の両端間の電位差を測定する。
【００７８】
使用時、従来の直接メタノール液体供給燃料電池は、メタノールの酸化により電流を発生する。これは、通常、メタノール20の水溶液をアノード室の一方の端部に送り込んでアノード構造体5上を流動させることにより達成される。空気21はカソード室に送り込まれ、カソード構造体7上を通り過ぎる。先に記載した2つの半電池反応(Ia)および(Ib)は、それぞれ、アノード構造体上およびカソード構造体上で起こる。膜6は、アノード室2からカソード触媒層12に水を輸送する。カソード側のカーボンクロス14およびガス拡散層13により、酸素ガスは触媒層12に到達することができるので、酸素と水との反応(Ib)が起こる。この反応により水酸化物イオンが生成され、水酸化物イオンは、負電荷であるので、膜を通過してアノードに移動する。
【００７９】
同時に、メタノールは、アノード触媒層8で水酸化物イオンと反応する。この反応(Ia)によりCO2が生成され、CO2は、ガス拡散層9およびカーボンクロス10を通って触媒層8からアノード室2まで移動する。
【００８０】
2つの半反応により、アノード構造体とカソード構造体とを連結する回路内の抵抗器の両端間に電位差を生じる。生成した電流は、電流計17により測定される。電流の流れの方向は、アノードからカソードの方向である。
【００８１】
反応によりメタノールおよび酸素が消費され、メタノールの酸化の生成物は、CO2および水である。したがって、未反応のメタノールと水とCO2との混合物22は、アノード室2から送出され、酸素枯渇空気と水蒸気(カソード構造体の表面における水の蒸発により生じる)との混合物23は、カソード室3から排出される。
【００８２】
カーボンペーパー層またはカーボンクロス層10, 14は、燃料を触媒に接近させる働きをするとともに、触媒層8, 12から電流を集める働きをする。したがって、アノードカーボンクロス10は、アノード触媒層8におけるメタノールと水酸化物イオンとの反応により生成された電子を電流コレクター11に輸送して電流が確立するようにする。同様に、カソードカーボンクロス14は、カソード電流コレクター15とカソード触媒層12との間の電気接触を行えるようにする。アノードガス拡散層9は、メタノールの酸化により発生したCO2をアノード室2内の水溶液中に逃散させる。拡散層は、ガス流動を可能にすると同時に非疎水性領域における液体流動をも可能にすべく部分的に疎水性になっている。二酸化炭素ガスおよび液体燃料の流動は向流であるので、標準燃料電池構成では両方とも他方を妨害する。
【００８３】
使用時、本発明者らは、カーボンクロス10およびガス拡散層9が触媒表面からCO2を効率的に拡散除去することができないためにアノード触媒層8で発生したCO2が触媒層の表面上および膜6中に蓄積することを見いだした。
【００８４】
最も簡単には、電極構造体4を除けば、本発明の燃料電池は、先に記載した先行技術の構成と同じである。
【００８５】
本発明の第1の実施形態では、アノード室およびカソード室は、図1を参照して説明したときと同じように配置されるので、再び詳細に説明することはしない。対応する部分を表すために、同一の参照番号を用いる。
【００８６】
図2は、本発明の第1の実施形態を示しており、電極触媒コーティング金属メッシュアノードを有する直接メタノール液体供給燃料電池の概略図である。
【００８７】
メッシュ電極構成は、アノード構造体と、膜と、カソード構造体と、を含む。しかしながら、公知の電極構造体とは異なり、この実施形態のアノード構造体は、酸化電極触媒でコーティングされた金属メッシュ30を含む。メッシュは、蛇行した貫通経路がメッシュの幅を横切って存在するように配置された複数のオフセットグリッド40である。メッシュ30は、200〜300μmの範囲内のストランドサイズを有し、細孔サイズは、200〜500μmの範囲内である。金属メッシュのストランドの断面30を図2に見ることができる。
【００８８】
メッシュサイズは、30〜60メッシュの範囲内である。メッシュサイズは、メッシュ内の任意の点からアノード室2までの二酸化炭素のようなガスの流動に対する束縛および抵抗が存在しないように設定される。
【００８９】
ストランドの金属コアー31は、強度および剛性を有するメッシュを提供する。ストランドの外層32は酸化電極触媒である。酸化電極触媒は、たとえば、メタノールの酸化を触媒する活性部位を提供するRu/Ptであってよい。メッシュ30は、膜6に直接連結される。膜のカソード側では、カソード構造体は、公知の燃料電池構成に対して説明したときと同じである。メッシュ30をカソード電流コレクター層15に電気接続し、電流計17により、メッシュ30とカソード電流コレクター層15との間で発生した電流を測定する。
【００９０】
使用時、メタノール水溶液20は、メッシュ30上を通り過ぎ、メタノールは、外層32に位置するまたはその中にある触媒材料上で二酸化炭素に酸化される。担持触媒の表面積が大きいので、この反応の効率が改善される。メッシュの格子構造体により電極表面からガスが効率的に物質輸送されて除去され、しかも先行技術の構成とは異なり触媒表面とアノード室2との間に介在層が存在しないので、この反応で生成されたCO2は、外層32の表面から容易に除去され、アノード室2内の水溶液中に分散される。
【００９１】
一般的作製方法
化学堆積による電極の作製
Pt電極触媒を有するTiメッシュアノードを化学堆積によって作製した。最初に、エメリーペーパーによりTiメッシュ表面を研磨して、水で十分にすすいだ。乾燥後、Tiメッシュをアセトン中ですすいだ。20% HCl溶液により90℃で1分間エッチングした後、たとえばH2PtCl6 + H2Oを含む触媒スラリーを基質上にペインティングした。得られたペイントは、薄層として適用された。その後、350〜500℃の立方形炉内の空気中で20〜60分間熱分解させた。プロセスを約10回繰り返して、所望のコーティング厚さに堆積させた。
【００９２】
電気化学堆積による電極の作製
電極触媒外層を有するTiメッシュアノードを電気化学堆積により作製した。電気化学堆積法は、化学堆積法と比較して、触媒コーティング電極を作製する手順がいくらか単純である。化学堆積のときと同一の方法を用いてTiメッシュを前処理し、その後、電気堆積セル中に取り付けた。既知濃度のクロロ白金酸と塩化ルテニウムのN2飽和溶液をセルに充填し、機械的に攪拌した。選択的に電位を調整することにより、基質上に触媒を電気堆積させた。コンピューター制御ポテンシオスタットにより、触媒の堆積に必要な電荷量をモニターした。二金属性堆積物(たとえば、Pt-Ru)の共電気堆積のために二重堆積ストラテジーを用いることが可能である。たとえば、Ptの堆積に続いてRuの堆積を行うかまたはその逆を行うことが可能である。触媒材料を堆積させた後、塩化物分がまったくなくなるまで、煮沸Millipore伝導度水により電極を繰り返し洗浄した。方法の再現性を検査するために、いくつかの電極を用いて同一条件下で化学堆積と電気化学堆積の両方を行った。上記の手順により得られた白金堆積物は、鮮やかであり、ルテニウム堆積物は、ダークグレー色を呈する傾向があった。堆積物は、肉眼に均一に見え、Tiメッシュにきわめて強力に接着されたので、それらを除去するには強力に掻き落とす必要があった。
【００９３】
一実施形態では、Tiメッシュに2mg Ptおよび1mg Ru/cm2を担持させた。Pt-Ru/TiメッシュのSEM試験により、マクロ細孔または欠陥が表面上に存在したが、PtおよびRuの粒子は高密度顆粒状マイクロ構造体としてマトリックスを横切って均一に分布していることが示唆された。電極は、相偏析および基質とPt-Ru粒子との有意な個別領域を示した。小粒子は大粒子の間に堆積された。粒子サイズは、数ナノメートル〜200nmの範囲である。より小さい粒子の凝集により生したいくつかのより大きいクラスター(直径1.5μmまで)が観測された。したがって、異なるサイズのPtおよびRuの粒子間に多くの境界または界面が存在し、触媒粒子のスタックマイクロ構造体を形成することにより、電気堆積された層は非常に粗い表面を呈した。これらの特徴はすべて、このタイプの電極で高い触媒活性を達成するのに重要な因子である電極の非常に大きい有効表面積に寄与する。
【００９４】
熱分解による電極の作製
熱分解法を適用してチタンミニメッシュ(1×1cm)上に触媒を直接堆積させた。より良好な固着を達成するために、コーティング前に、メッシュを80℃の10%シュウ酸中で1時間エッチングし；その後、蒸留水で十分にすすいだ。触媒層を適用するために、エッチングした基板を前駆体(たとえば、イソプロパノール中の0.2M金属塩化物)中に浸漬させた。それぞれの浸漬の後、サンプルを操作して穏やかに渦攪拌することにより均一なコーティングを形成し、次に、乾燥させた。このようにして、それぞれの浸漬により1cm2の基質上に一体の約0.2mg(公称厚さ0.07μm)のコーティングを適用し、5回の浸漬により、触媒約1mgcm-2の触媒担持量を取得した。その後、空気中、400℃で仮焼を1時間行った。このようにして作製された電極をPt/TiおよびPtRu/Ti(原子比Pt:Ru=0.5:0.5)と記した。
【００９５】
Tiメッシュ電極アセンブリーの作製
一実施形態では、前処理されたNafion117膜の両面にアノードおよびカソードを100kg cm-2の圧力および125℃の温度で3分間ホットプレスすることにより、電極触媒コーティングTiメッシュMEAを得た。膜の前処理には、膜を5体積% H2O2中で1時間および1M硫酸中で1時間煮沸してから水を定期的に交換して煮沸Millipore水(>18 mΩ)中で2時間洗浄することが含まれていた。MEAの厚さは、約1mmである。
【実施例】
【００９６】
実施例1： 膜電極アセンブリーの動作
次のMEAを作製した。
【表１】
2005537618.tif 000003
【００９７】
75℃および大気圧で2Mメタノールを連続供給することにより、試験燃料電池中でMEAを48時間状態調節した。その後、異なる条件のアルカリ燃料電池中でMEAを試験して、それらの性能の再現性を確認した。
【００９８】
アルカリ燃料電池では、アルカリ性水酸化ナトリウム溶液中のメタノールを燃料として使用する。燃料電池の構造は、図2を参照して説明したとおりであるが、ただし、カソードは、高表面積多孔質触媒電極であり、電解質膜6は、電池のアノード側からカソード側にナトリウムイオンを優先的に移動させるポリマーイオン交換膜である。電池のカソード側では、酸素が水酸化物イオンに還元され、水酸化物イオンは、ナトリウムイオンと一緒になってアルカリ性溶液を形成する。
【００９９】
アノードで発生したCO2は、水酸化ナトリウムと一緒になって炭酸ナトリウムまたは重炭酸ナトリウムを生成する。炭酸塩または重炭酸塩を水酸化物に再変換することができる。たとえば、水素イオンを添加すれば、CO2が放出される。
【０１００】
また、膜を通ってナトリウムイオンが移動すると、同一方向に水が移動する。酸化されたメタノール1モルあたり6モルのNa+イオンの移動が起こる。
【０１０１】
燃料電池試験では、2barおよび60℃ならびに次の2つのメタノール流量: 5.6mlmin-1および60.6 mlmin-1で、1M NaOH中の2M MeOH溶液を使用した。試験の結果を図3〜5に示す。
【０１０２】
図3aは、5.6および60.6 mlmin-1 MeOH流量で動作させたMEA1に対する電池電圧vs電流密度(I-V)曲線および出力密度vs電流密度(I-P)曲線を示している。この図は、本発明の燃料電池が広範にわたる流量で動作して低電位で高電流密度を生じることおよび高流量で出力密度が電流密度と共に着実に上昇することを示している。
【０１０３】
図3bは、5.6および60.6 mlmin-1のMeOH流量におけるMEA1に対するアノード(Ea)およびカソード(Ec)電位vs電流密度曲線を示している。
【０１０４】
図4aは、60.6 mlmin-1のMeOH流量で動作させたMEA2および3に対する電池電圧vs電流密度(I-V)曲線および出力密度vs電流密度(I-P)曲線を示している。
【０１０５】
図4bは、60.6 mlmin-1のMeOH流量で動作させたMEA2および3に対するアノード(Ea)およびカソード(Ec)電位vs電流密度曲線を示している。
【０１０６】
図5aは、60.6 mlmin-1のMeOH流量で動作させたMEA4〜6に対する電池電圧vs電流密度(I-V)曲線および出力密度vs電流密度(I-P)曲線を示している。
【０１０７】
図5bは、60.6 mlmin-1のMeOH流量で動作させたMEA4〜6に対するアノード(Ea)およびカソード(Ec)電位vs電流密度曲線を示している。
【０１０８】
結果からわかることは、本発明の電極が頑丈であり、長時間使用した後でさえもその構造が保持されること、およびメタノール酸化に使用した後でも電極の損傷が見られなかったことである。
【０１０９】
実施例2： 性能に及ぼすメッシュ構造体の効果
菱形細孔形状を有しそれぞれ異なる細孔サイズおよびストランド幅を有する3種のメッシュ電極を、先に記載した熱分解法により作製した。それらを図6に示す。Tiメッシュ電極にPtRu(原子比Pt:Ru=0.5:0.5)をコーティングした。3種のメッシュ電極の幾何学的パラメーターを表1に列挙し、メッシュのSEM画像を図6に示す。細孔サイズの寸法LWDおよびSWDを図6に示す。これらは、菱形細孔の長寸法および短寸法に相当する。
【表２】
2005537618.tif 000004
【０１１０】
図7は、2M MeOH+0.5M H2SO4中および60℃における異なる電極の定電流性能を示している。電極の定電流性能は、電極電位の関数としての定常状態電流密度の尺度である。Tiメッシュ3上に熱堆積されたPtRu触媒は、最も高い触媒活性を有し、100mA cm-2の電流で約470mVの最低分極電位(メッシュ1の場合よりも40 mV低い)を示す。メッシュ2を使用した場合、メッシュ3よりもわずかに低い触媒活性が観測された。理論により拘束されることを望むものではないが、触媒活性に及ぼすメッシュ構造体の効果は、メッシュ担体の異なる開口面積に起因する。
【０１１１】
実施例3： 従来の燃料電池とTiメッシュ燃料電池との比較
電極触媒コーティングTiメッシュを含む本発明に係る燃料電池を、カーボンクロスガス拡散電極を含む従来の燃料電池と比較した。
【０１１２】
図8は、2種のアノード構造体、すなわち、熱堆積により作製された本発明に係るPt-Ru/Tiメッシュアノードおよび従来のテフロン（登録商標）結合カーボンクロスガス拡散アノードを用いて動作させたフローDMFCから得られた2つの電池電圧vs電流密度曲線を示している。それぞれ、2mg Pt+1mg Ru cm-2の触媒担持量を有する。カソードは、いずれの電池においても従来のカーボンクロス構成であった。図8は、90℃で2Mメタノール溶液をアノード室に流入させることにより、かつカソード室中に1.5barの空気を送入し、それぞれのアノード構造体を用いたときの電池性能を記録することにより、得られたものであった。
【０１１３】
本発明に係るアノード構造体は、先に記載したように、前処理されたNafion117膜に100 kgcm-2の圧力および125℃の温度で3分間ホットプレスされた金属塩化物前駆体を熱分解させることにより作製されたPtRuコーティングTiメッシュを備えた膜電極アセンブリーを含む。従来のカーボンクロスガス拡散アノード(および両方のアノードと併用されたカソード)は、次の手順により作製した。
【０１１４】
20重量%のPtおよび10重量%のRuを担持したVulcan XC-72Rカーボン(Electrochem. Inc, USA)を用いて、Pt-Ru触媒およびPt触媒を作製した。従来の各電極は、バッキング層と、ガス拡散層と、反応層と、を含む。厚さ0.35mmのテフロン（登録商標）化カーボンクロス(E-TEK, type A)をバッキング層として利用した。ガス拡散層を作製するために、イソプロパノールを前テフロン（登録商標）化Ketjen Blackカーボンに添加してペーストを作製した。得られたペーストをカーボンクロス上に拡げ、85℃のエアオーブン中で5〜15分間乾燥させた。反応層を作製するために、所要量のPt-Ru/C(アノード)またはPt/C(カソード)を10重量%のテフロン（登録商標）化カーボンと混合した。連続攪拌しながら、ある量のNafion溶液を混合物に添加した。得られたペーストを電極のガス拡散層上に拡げ、85℃のエアオーブン中で5分間乾燥させた。アノード上の触媒含有量を2mg Pt cm-2のレベルに保持した。一方、カソード上の触媒含有量は、1mg Pt cm-2であった。最後に、Nafion溶液の薄層を各電極の表面上に拡げた。
【０１１５】
前処理されたNafion117膜の両面にアノードおよびカソードを100 kgcm-2および125℃で3分間ホットプレスすることにより、ガス拡散電極を備えた従来のサンドイッチ型膜電極アセンブリーを取得した。膜の前処理には、膜を5体積% H2O2中で1時間および1M硫酸中で1時間煮沸してから水を定期的に交換して煮沸Millipore水(>18 mΩ)中で2時間洗浄することが含まれていた。MEAの厚さは、拡散層の厚さに依存して約0.8mmである。
【０１１６】
電池の周辺部に配置された1組の保持ボルトを用いて、得られた従来のアノード膜電極アセンブリーおよびPtRu Tiメッシュアノード膜電極アセンブリーを、メタノールおよび酸素/空気を流動させるための平行なチャネル流路が切り抜かれた2つのグラファイトブロック間に収容した。チャネルが形成された含浸高密度グラファイトブロックから機械加工されたガス/液体流動領域プレートに、両電極の背面を接触させた。チャネル間のリブは、電極の背面と電気接触し、外部回路に電流を流す。電池を所望の動作温度に加熱するために、各グラファイトブロックの後ろに電気ヒーターを配置した。グラファイトブロックはまた、電気接点と、熱電対を収容するための小孔と、を備えていた。リザーバーからメタノール水溶液を供給するための蠕動(perilstatic)ポンプと、メタノールを加熱するための温度コントローラーと、よりなる簡単な流動装置中で、燃料電池を使用した。酸素または空気を周囲温度でシリンダーから供給し、圧力調整バルブにより入口で圧力を調整した。PTFEチューブ、結合具、およびバルブを用いて、電池と装置との間のすべての接続を行った。アノード上に75℃で水を48時間循環させて、MEAを水和させた。75℃および大気圧で2Mメタノールを連続供給することにより、試験燃料電池中で新しいMEAを48時間状態調節した後、種々の動作条件で定電流分極データを取得した。いくつかのMEAを試験してデータの再現性を確認した。
【０１１７】
0.3V近傍の電位および90℃において、PtRuコーティングTiメッシュアノードを有するフロー燃料電池は、従来のカーボンクロスガス拡散アノードを用いて同一の電池を動作させた時(93 mWcm-2)(図示せず)と比較して、高い出力密度(102 mWcm-2)を供給した。
【０１１８】
従来のカーボン担持型ガス拡散アノードではなく本発明のPtRuコーティングTiメッシュアノードを用いることにより、すべての電流密度において約30mVの出力電池電圧の改善を達成できることが図8の結果からわかる。
【０１１９】
実施例4： Pt/Ruコーティングミニメッシュ電極とカーボンクロス電極との比較
図9は、3つのタイプ(tyes)の電極を用いて1M MeOH + 0.5M H2SO4の溶液のMeOHを60℃で酸化させたときに得られた分極曲線を示している。カソードは、いずれの場合においてもPt(2 mgcm-2)コーティングTiメッシュを含む。アノードは、Pt(2 mgcm-2)およびRu(1 mgcm-2)を含み、3つの構造体は、i)Tiメッシュ上に電気堆積されたPtRu、ii)カーボンクロス上に電気堆積されたPtRu、およびiii)PtRuガス拡散電極である。
【０１２０】
図9は、2mg Pt + 1mg Ru cm-2の触媒担持量を有するメッシュ、カーボンクロス、または炭素粉末の電極を用いて、80℃において1M CH3OH + 0.5M H2SO4溶液中でメタノール酸化させたときに得られたものであった。電極作製法は、先に記載したとおりであった。
【０１２１】
図9に示される実験データはから、Pt/Ruコーティングミニメッシュがカーボンクロス型電極よりも優れた性能を呈することがわかる。電極は、酸性、中性、およびアルカリ性電解質中で、液体系電解質を用いることなく、機能しうる。
【０１２２】
これらの結果からさらに、DMFCにおいて、Pt-RuコーティングTiミニメッシュアノードがカーボン担持触媒と比較して改良されたアノード分極を有することがわかる。ミニメッシュデザインの結果からさらに、メタノール酸化時に物質輸送の制約がないことが示唆される。
【０１２３】
メタノール酸化に対する本発明のPt-Ru/Tiメッシュアノードの効率が高いことが、200mA cm-2の電流密度における数百mVの電位低下により実証された。触媒コーティングTiメッシュ電極は、ガスおよび液体が通るミクロ細孔と、電子が通る導電路と、を提供する。高いオーム損失および低いイオン伝導性のような従来のカーボン担持型電極の問題は、本発明の電極触媒コーティングTiメッシュ電極によりかなり克服される。
【０１２４】
実施例5： PtコーティングおよびPtRuコーティングTiミニメッシュ電極とカーボンクロス担持型PtRu電極との比較
図10は、PtおよびPtRuコーティングTiメッシュ電極の定電流分極挙動を従来のPtRuカーボンクロス型電極と比較したものである(担持量1.5mg、Pt:Ru比=1:0.5)。提示されたデータは、空気中、400℃で熱形成された触媒を用いたときの2M MeOH + 0.5MH2SO4中および60℃における定電流分極プロットである。データから、チタンメッシュ上にコーティングされた触媒の活性が最も活性な公知のカーボン担持型触媒の1つよりも優れていることがはっきりとわかる。さらにまた、データから、PtRu/Tiを用いたときのメタノール酸化の開始電位がPt/Tiを用いたときの開始電位よりも100mV低いことがわかる。このことから、PtRu電極触媒をTiメッシュ電極と併用することに伴う有意なさらなる性能上の利点が存在することが示唆される。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】図1は、従来の直接メタノール液体供給燃料電池の概略図であり、先行技術の一部分である。
【図２】図2は、電極触媒コーティングTiメッシュ電極を有する直接メタノール液体供給燃料電池の概略図であり、本発明の第1の実施形態である。
【図３】図3aおよび3bは、異なる燃料流量における本発明の実施形態の電池挙動を示すグラフである。
【図４】図4aおよび4bは、異なる燃料流量における本発明の2つの実施形態の電池挙動を示すグラフである。
【図５】図5aおよび5bは、異なる燃料流量における本発明の3つの実施形態の電池挙動を示すグラフである。
【図６】図6は、本発明に係る3種のTiメッシュのSEM画像を示している。
【図７】図7は、酸性条件における本発明の3種の電極の定電流性能を示している。
【図８】図8は、本発明の燃料電池と従来の燃料電池の2種の燃料電池の電池電圧vs電流密度曲線を示している。
【図９】図9は、本発明の燃料電池のアノード分極曲線を公知の燃料電池のアノード分極曲線と比較したグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の燃料電池の定電流分極曲線を公知の燃料電池の定電流分極曲線と比較したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年4月26日(2005.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード(5)とカソード(7)と電解質(6)とを含む燃料電池(1)であって、該電解質がイオン交換膜であり、該アノードおよび該カソードが該電解質のすぐ隣に位置し、該アノードが担体上に電極触媒(32)を含み、該担体が導電性材料のメッシュ(30)である、前記燃料電池。
【請求項２】
前記電極触媒(32)が、金属、金属合金、金属酸化物、または金属水素化物である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記メッシュ(30)が5μmの最小細孔サイズを有する、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記メッシュ(30)が50μmの最小細孔サイズを有する、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記メッシュ(30)が複数の層(40)を含む、請求項１〜４のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記メッシュ(30)の隣接層が互いに角度をなして配置される、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記メッシュ(30)が、金属、金属合金、および金属複合体から選択される導電性材料で作製されている、請求項１〜６のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記メッシュ(30)がチタンまたはチタン合金から作製されている、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記電極触媒(32)と前記メッシュ(30)との間に少なくとも1層の中間層が存在する、請求項１〜８のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
導電性材料のメッシュ(30)上に電極触媒(32)を含む前記アノードに燃料(20)および酸化剤を接触させるステップを含む、請求項１〜９のいずれか1項に記載の燃料電池の動作方法。
【請求項１１】
アノード(5)とカソード(7)と電解質(6)とを含む膜電極アセンブリーであって、該電解質がイオン交換膜であり、該アノードおよび該カソードが該電解質のすぐ隣に位置し、該アノードが導電性材料のメッシュ(30)上に担持された電極触媒(32)を含む前記膜電極アセンブリーの、燃料電池における使用。
【国際調査報告】
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