(57)【要約】【課題】  発電性能低下を抑制することができる燃料電池用のカソード触媒層およびそれを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】  カソード触媒層（１２）は、触媒と、触媒を担持するカーボン担体とを備え、カーボン担体の重量に対する触媒の重量は６０％を上回り、層厚が１０μｍ以下である。カソード触媒層（１２）からの水の蒸発量を適度に抑制しつつ、電解質膜（１１）に十分に水分を供給することができる。また、水の生成反応場がカソード触媒層（１２）の電解質膜（１１）近傍に移動することから、フラッディングを抑制することができる。以上のことから、燃料電池（１００）の発電性能低下を抑制することができる。【選択図】        図１
2009021049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒と、
前記触媒を担持するカーボン担体とを備え、
前記カーボン担体の重量に対する前記触媒の重量は、６０％を上回り、
層厚が１０μｍ以下であることを特徴とする燃料電池用のカソード触媒層。
【請求項２】
前記触媒は、白金または白金合金であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用のカソード触媒層。
【請求項３】
プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置された請求項１または２記載の燃料電池用のカソード触媒層と、を備え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】
本発明は、燃料電池用のカソード触媒層およびそれを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側にカソードおよびアノードがそれぞれ設けられた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。この電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜のイオン伝導性が低下する。したがって、電解質膜に適度に水分が供給されることが好ましい。
【０００４】
そこで、発電時の水の生成密度を向上させることが考えられる。例えば、水の生成密度を向上させるために、電極における触媒の濃度を高めて触媒の活性を向上させる技術を用いることができる（例えば、特許文献１参照）。この技術を用いてカソードにおける触媒の濃度を高めれば、水の生成密度が向上する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１０８８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、カソードにおける触媒濃度を高めても、カソードからの水の蒸発量が多い場合には電解質膜における含水量が低下する。その結果、発電性能が低下するおそれがある。一方で、カソードからの水の蒸発量が少ない場合には、カソードにおいてフラッディングが発生するおそれがある。この場合においても、発電性能が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、発電性能低下を抑制することができる燃料電池用のカソード触媒層およびそれを備えた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】
本発明に係る燃料電池用のカソード触媒層は、触媒と、触媒を担持するカーボン担体とを備え、カーボン担体の重量に対する触媒の重量は６０％を上回り、層厚が１０μｍ以下であることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池用のカソード触媒層においては、水の蒸発量を適度に抑制しつつ、燃料電池の電解質膜に十分に水分を供給することができる。また、水の生成反応場がカソード触媒層の電解質膜近傍に移動することから、フラッディングを抑制することができる。以上のことから、本発明に係るカソード触媒層を備える燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。なお、触媒は、白金または白金合金であってもよい。
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に配置された請求項１または２記載の燃料電池用触媒層と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、水の蒸発量を適度に抑制しつつ、電解質膜に十分に水分を供給することができる。また、水の生成反応場がカソード触媒層の電解質膜近傍に移動することから、フラッディングを抑制することができる。以上のことから、本発明に係る燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発電性能低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１２】
（実施の形態）
まず、本発明の一実施の形態に係る燃料電池１００の概略について説明する。図１は、燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面側に酸化剤ガス流路２０およびセパレータ３０が順に設けられ、他面側に燃料ガス流路４０およびセパレータ５０が順に設けられた構造を有する。
【００１３】
膜−電極接合体１０は、電解質膜１１のセパレータ３０側にカソード触媒層１２およびガス拡散層１３が順に設けられ、電解質膜１１のセパレータ５０側にアノード触媒層１４およびガス拡散層１５が順に設けられた構造を有する。電解質膜１１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えば、パーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。
【００１４】
カソード触媒層１２は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層１４は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４は、触媒担持カーボンからなる。カソード触媒層１２の詳細は、後述する。ガス拡散層１３は、酸素を含有する酸化剤ガス（例えば、エア）を透過する層である。ガス拡散層１５は水素を含有する燃料ガスを透過する層である。ガス拡散層１３，１５は、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。
【００１５】
酸化剤ガス流路２０および燃料ガス流路４０は、例えば、発泡焼結金属等から構成される多孔体流路である。セパレータ３０，５０は、ステンレス等の導電体からなる。なお、酸化剤ガス流路２０および燃料ガス流路４０を設けずにセパレータ３０，５０に溝を設けてガス流路として用いてもよい。
【００１６】
燃料ガス流路４０には、図示しない燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、ガス拡散層１５を透過してアノード触媒層１４に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１４の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導してカソード触媒層１２に到達する。
【００１７】
一方、酸化剤ガス流路２０には、図示しない酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、ガス拡散層１３を透過してカソード触媒層１２に到達する。カソード触媒層１２においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水分が生成される。
【００１８】
次に、カソード触媒層１２の詳細について説明する。カソード触媒層１２は、カーボン担体に白金、白金合金等の触媒が担持された構造を有する。白金合金に用いることができる元素は、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｇａ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ａｕ，Ａｇまたはこれらの混合物である。本実施の形態においては、カーボン担体の重量に対する触媒の重量（以下、触媒担持密度（％）と称する。）とカソード触媒層１２の層厚とを調整することによって、燃料電池１００の発電性能低下を抑制している。以下、図２を用いて原理を説明する。
【００１９】
まず、図２（ａ）に示すように、カソード触媒層における触媒担持密度が比較的小さい場合、水の生成密度が比較的小さくなる。この場合、電解質膜に十分に水分を供給できないおそれがある。したがって、電解質膜において含水量が不足するおそれがある。
【００２０】
そこで、図２（ｂ）に示すように、触媒担持密度を高く設定することが考えられる。この場合、カソード触媒層の電解質膜近傍に触媒が十分に存在する。それにより、水の生成反応場が、カソード触媒層の電解質膜近傍に移動する。その結果、生成水と電解質膜との距離が短くなる。また、水の生成反応場における水分濃度が電解質膜の水分濃度に比較して大きくなる。その結果、電解質膜に水が移動しやすくなる。しかしながら、カソード触媒層のガス拡散層側においては、水の生成量が低下することから生成水の蒸発量が多くなる。したがって、電解質膜に十分に水分を供給できなくなるおそれがある。その結果、発電性能が低下するおそれがある。
【００２１】
一方、図２（ｃ）に示すように、カソード触媒層の層厚を小さく設定することが考えられる。この場合、水の生成反応場がカソード触媒層の全体となることから、カソード触媒層からの水の蒸発量が減少し、カソード触媒層においてフラッディングが発生するおそれがある。それにより、カソード触媒層への反応ガスの供給が抑制される。その結果、発電性能が低下するおそれがある。
【００２２】
そこで、本実施の形態においては、図２（ｄ）に示すように、カソード触媒層１２において触媒担持密度を６０％を上回る値に設定するとともに、カソード触媒層１２の層厚を１０μｍ以下に設定する。この場合、カソード触媒層１２からの水の蒸発量を適度に抑制しつつ、電解質膜１１に水分を十分に供給することができる。また、水の生成反応場がカソード触媒層１２の電解質膜１１近傍に移動することから、フラッディングを抑制することができ、カソード触媒層１２への反応ガスの拡散性低下を抑制することができる。以上のことから、燃料電池１００の発電性能低下を抑制することができる。
【００２３】
なお、カソード触媒層１２における触媒担持密度は、高ければ高いほど好ましい。カソード触媒層１２の上限は、特に限定されるものではないが、例えば７０％程度である。また、カソード触媒層１２の層厚の下限は、特に限定されるものではないが、例えば１μｍ程度である。カソード触媒層１２にＰｔ１００％の白金ブラックを用いた場合に必要な層厚が１μｍであるからである。
【００２４】
なお、カソード触媒層１２においては、目付量が小さいことが好ましい。目付量が小さくなるとカソード触媒層１２の単位体積あたりの生成水量が多くなり、カソード触媒層１２における水の生成反応場が電解質膜１１により近くなるからである。ここで、目付量とは、カソード触媒層１２の単位面積あたりの触媒の量（ｍｇ／ｃｍ２）のことをいう。
【００２５】
本実施の形態においては、カソード触媒層１２が本発明に係る燃料電池用のカソード触媒層に相当する。
【実施例】
【００２６】
以下、上記実施の形態に係る燃料電池を作製し、その特性を調べた。
【００２７】
（実施例１）
実施例１においては、図１の燃料電池１００を作製した。電解質膜１１として、パーフルオロスルフォン酸ポリマー系の材料からなり、膜厚が１５μｍ〜４５μｍのものを用いた。カソード触媒層１２として、白金担持カーボンを用いた。カソード触媒層１２において、触媒担持密度を７０％とし、層厚を１０μｍとし、目付量を０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。アノード触媒層１４として、白金担持カーボンからなり、層厚が５μｍのものを用いた。ガス拡散層１３，１５として、カーボンペーパからなるものを用いた。
【００２８】
（実施例２）
実施例２においては、目付量を０．４ｍｇ／ｃｍ２とした他は、実施例１と同様のものを用いた。
【００２９】
（比較例）
比較例においては、カソード触媒層１２の層厚を１５μｍとし、触媒担持密度を６０％とした他は、実施例１と同様のものを用いた。
【００３０】
（分析）
実施例１，２および比較例に係る燃料電池に発電を行わせ、セル電圧およびセル抵抗を測定した。燃料ガス流路４０には、露点Ｄｐが４５℃、背圧が４０ｋＰａＧ、ストイキが１．２である燃料ガスを供給した。酸化剤ガス流路２０には、露点Ｄｐが５５℃、背圧が４５ｋＰａＧである酸化剤ガスを供給した。酸化剤ガスのストイキは、所定の範囲内で変化させた。また、セル温度を８０℃に設定し、電流密度を２．０Ａ／ｃｍ２に設定した。図３（ａ）〜図３（ｃ）に結果を示す。
【００３１】
図３（ａ）は、酸化剤ガスストイキとセル電圧との関係を示す図である。図３（ａ）において、横軸は酸化剤ガスストイキを示し、縦軸は各燃料電池のセル電圧を示す。なお、図３（ａ）においては、各燃料電池のセル電圧を比較例に係る燃料電池のセル電圧に基づいて規格化してある。図３（ａ）に示すように、比較例に係る燃料電池のセル電圧に比較して、実施例１，２に係る燃料電池のセル電圧は大きくなった。これは、実施例に係る燃料電池においては電解質膜１１の含水量低下が抑制されたからであると考えられる。なお、実施例１，２に係る燃料電池のセル電圧に差が生じなかったことから、触媒の目付量が異なっていてもセル電圧に影響がないことがわかった。
【００３２】
図３（ｂ）は、酸化剤ガスストイキとセル抵抗との関係を示す図である。図３（ｂ）において、横軸は酸化剤ガスストイキを示し、縦軸は各燃料電池のセル抵抗を示す。なお、図３（ｂ）においては、各燃料電池のセル抵抗を比較例に係る燃料電池のセル抵抗に基づいて規格化してある。ここで、酸化剤ガスストイキが大きくなると、酸化剤ガス流量が多くなる。したがって、酸化剤ガスストイキが大きいほど、電解質膜１１が乾燥しやすくなる。その結果、電解質膜１１の抵抗が大きくなるおそれがある。
【００３３】
図３（ｂ）に示すように、比較例に係る燃料電池のセル抵抗に比較して、実施例１，２に係る燃料電池のセル抵抗は小さくなった。これは、電解質膜１１の含水量低下が抑制されたからであると考えられる。なお、実施例１に比較して実施例２においては、セル抵抗がさらに小さくなった。これは、目付量が小さくなることによって水の生成反応場が電解質膜１１により近くなり、電解質膜１１への水分供給量が多くなったからであると考えられる。
【００３４】
図３（ｃ）は、酸化剤ガスストイキと抵抗補正電圧との関係を示す図である。図３（ｃ）において、横軸は酸化剤ガスストイキを示し、縦軸は各燃料電池の抵抗補正電圧を示す。なお、図３（ｃ）においては、各燃料電池の抵抗補正電圧を比較例に係る燃料電池の抵抗補正電圧に基づいて規格化してある。また、抵抗補正電圧とは、セル電圧＋電流×セル抵抗のことを意味する。したがって、高電流密度域においては、抵抗補正電圧が高いほど一般的にガス拡散性が良いことを示す。
【００３５】
図３（ｃ）に示すように、比較例に係る燃料電池の抵抗補正電圧に比較して、実施例１，２に係る燃料電池の抵抗補正電圧は大きくなった。これは、実施例１，２に係る燃料電池においては電解質膜１１の含水量低下が抑制されるとともにカソード触媒層１２におけるフラッディングが抑制され、ガス拡散性低下が抑制されたからであると考えられる。なお、実施例１，２に係る燃料電池の抵抗補正電圧に差が生じなかったことから、触媒の目付量が異なっていても反応ガスの拡散性に影響がないことがわかった。
【００３６】
このように、カソード触媒層１２における触媒担持密度を６０％を上回る値に設定し、カソード触媒層１２の層厚を１０μｍ以下に設定することによって、燃料電池の発電性能低下を抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】燃料電池の発電性能低下を抑制する原理を説明するための図である。
【図３】各燃料電池の発電電圧およびセル抵抗を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１  電解質膜
１２  カソード触媒層
１３，１５  ガス拡散層
１４  アノード触媒層
２０  酸化剤ガス流路
３０，５０  セパレータ
４０  燃料ガス流路
１００  燃料電池
【図１】
2009021049.tif 000003
【図２】
2009021049.tif 000004
【図３】
2009021049.tif 000005