JPH1055807A - 燃料電池用空気電極及びその製造方法 - Google Patents
燃料電池用空気電極及びその製造方法Info
- Publication number
- JPH1055807A JPH1055807A JP8227754A JP22775496A JPH1055807A JP H1055807 A JPH1055807 A JP H1055807A JP 8227754 A JP8227754 A JP 8227754A JP 22775496 A JP22775496 A JP 22775496A JP H1055807 A JPH1055807 A JP H1055807A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air
- fuel cell
- catalyst
- air electrode
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 空気利用率を高めることができる，燃料電池
用空気電極及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 ガス拡散層１４とその表面に形成した触
媒層１６とよりなる。上記触媒層１６は，導電性粒子１
６０，撥水性粒子１６３，高分子電解質１６４，主触媒
１６１，助触媒１６２よりなり，該助触媒は酸化バナジ
ウム，酸化セリウム，酸化ジルコニウムまたはこれらの
物質の２種以上の複合体とよりなる。
用空気電極及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 ガス拡散層１４とその表面に形成した触
媒層１６とよりなる。上記触媒層１６は，導電性粒子１
６０，撥水性粒子１６３，高分子電解質１６４，主触媒
１６１，助触媒１６２よりなり，該助触媒は酸化バナジ
ウム，酸化セリウム，酸化ジルコニウムまたはこれらの
物質の２種以上の複合体とよりなる。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は，水素電極と空気電極と両者の間
に配置された電解質とよりなる燃料電池の空気電極及び
その製造方法に関する。
に配置された電解質とよりなる燃料電池の空気電極及び
その製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】従来，後述の図１に示すごとく，水素電極
１１と空気電極１２と両者の間に配置された電解質１３
とよりなり，水素及び酸素を電極活物質として使用する
燃料電池１が知られている。上記燃料電池１において，
水素電極１１及び空気電極１２は共にガス拡散層１４と
その表面に形成した触媒層１５，１６とよりなり，該触
媒層１５，１６は導電性粒子１５０，１６０であるカー
ボンブラックと，これに担持された白金粒子１５１，１
６１，撥水性粒子１６３，高分子電解質１６４とよりな
る。
１１と空気電極１２と両者の間に配置された電解質１３
とよりなり，水素及び酸素を電極活物質として使用する
燃料電池１が知られている。上記燃料電池１において，
水素電極１１及び空気電極１２は共にガス拡散層１４と
その表面に形成した触媒層１５，１６とよりなり，該触
媒層１５，１６は導電性粒子１５０，１６０であるカー
ボンブラックと，これに担持された白金粒子１５１，１
６１，撥水性粒子１６３，高分子電解質１６４とよりな
る。
【０００３】上記燃料電池における起電力の発生は以下
に示すごとく行なわれる。上記水素電極に水素含有ガス
が，空気電極に酸素含有ガスとしての空気が外部より供
給される。これにより水素電極にてＨ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ
- ，空気電極にて（１／２）Ｏ2 ＋２ｅ- ＋２Ｈ+ →Ｈ
2 Ｏという電極反応が発生する。従って，Ｈ2 ＋（１／
２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏという電池反応が発生し，これにより
燃料電池が起電する。そして，この電極反応における触
媒作用を上記触媒層に存在する白金粒子が担っている。
に示すごとく行なわれる。上記水素電極に水素含有ガス
が，空気電極に酸素含有ガスとしての空気が外部より供
給される。これにより水素電極にてＨ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ
- ，空気電極にて（１／２）Ｏ2 ＋２ｅ- ＋２Ｈ+ →Ｈ
2 Ｏという電極反応が発生する。従って，Ｈ2 ＋（１／
２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏという電池反応が発生し，これにより
燃料電池が起電する。そして，この電極反応における触
媒作用を上記触媒層に存在する白金粒子が担っている。
【０００４】
【解決しようとする課題】ところで，上記構造の燃料電
池における電池性能は，空気電極の分極特性により支配
されており，従って空気電極の側の触媒層の特性の向上
が電池性能の向上に効果的である。
池における電池性能は，空気電極の分極特性により支配
されており，従って空気電極の側の触媒層の特性の向上
が電池性能の向上に効果的である。
【０００５】即ち，上記従来の燃料電池は，空気電極に
供給された空気利用率が低く，従って，電池性能の向上
のためには空気量を多くする必要があった。この問題に
対する改善策としては，例えば，空気を燃料電池に送り
込むために使用するコンプレッサーを大型のものとする
ことが考えられる。しかしながら，上記燃料電池を，例
えば電気自動車等，設置スペースの限られた状態におい
て使用する場合には，大型のコンプレッサーを使用する
ことは困難である。従って，空気利用率を高め，少量の
空気でも十分な電圧を得られる燃料電池が要求されてい
る。
供給された空気利用率が低く，従って，電池性能の向上
のためには空気量を多くする必要があった。この問題に
対する改善策としては，例えば，空気を燃料電池に送り
込むために使用するコンプレッサーを大型のものとする
ことが考えられる。しかしながら，上記燃料電池を，例
えば電気自動車等，設置スペースの限られた状態におい
て使用する場合には，大型のコンプレッサーを使用する
ことは困難である。従って，空気利用率を高め，少量の
空気でも十分な電圧を得られる燃料電池が要求されてい
る。
【０００６】本発明は，かかる問題点に鑑み，空気利用
率を高めることができる，燃料電池用空気電極及びその
製造方法を提供しようとするものである。
率を高めることができる，燃料電池用空気電極及びその
製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】請求項１の発明は，ガス拡散層とそ
の表面に形成した触媒層とよりなる燃料電池用空気電極
であって，上記触媒層は，導電性粒子，撥水性粒子，高
分子電解質，主触媒及び助触媒よりなり，該助触媒は，
酸化バナジウム，酸化セリウム，酸化ジルコニウムまた
はこれらの物質の２種以上の複合体よりなることを特徴
とする燃料電池用空気電極にある。
の表面に形成した触媒層とよりなる燃料電池用空気電極
であって，上記触媒層は，導電性粒子，撥水性粒子，高
分子電解質，主触媒及び助触媒よりなり，該助触媒は，
酸化バナジウム，酸化セリウム，酸化ジルコニウムまた
はこれらの物質の２種以上の複合体よりなることを特徴
とする燃料電池用空気電極にある。
【０００８】上記燃料電池用空気電極を設ける燃料電池
としては，例えば，後述の図１に示すごとく，水素電極
と空気電極と両者の間に配置された電解質とよりなり，
水素及び酸素を電極活物質として使用する燃料電池を挙
げることができる。上記空気電極に対しては外部よりガ
ス拡散層を通じて空気を供給することができ，これに含
まれる酸素を消費して前述した電極反応が発生する。な
お，上記空気の供給は，例えばエアコンプレッサーを利
用し，外気をそのまま空気電極に対し送り込むことによ
り行うことができる。
としては，例えば，後述の図１に示すごとく，水素電極
と空気電極と両者の間に配置された電解質とよりなり，
水素及び酸素を電極活物質として使用する燃料電池を挙
げることができる。上記空気電極に対しては外部よりガ
ス拡散層を通じて空気を供給することができ，これに含
まれる酸素を消費して前述した電極反応が発生する。な
お，上記空気の供給は，例えばエアコンプレッサーを利
用し，外気をそのまま空気電極に対し送り込むことによ
り行うことができる。
【０００９】また，上記ガス拡散層としては，例えば，
カーボンファイバーを集積，成形した炭素繊維板を使用
することができる。上記導電性粒子としては，カーボン
ブラック，上記撥水性粒子としては，例えば，ポリテト
ラフルオロエチレン（以降ＰＴＦＥと省略），上記高分
子電解質としては，例えば，陽イオン交換樹脂を使用す
ることができる。
カーボンファイバーを集積，成形した炭素繊維板を使用
することができる。上記導電性粒子としては，カーボン
ブラック，上記撥水性粒子としては，例えば，ポリテト
ラフルオロエチレン（以降ＰＴＦＥと省略），上記高分
子電解質としては，例えば，陽イオン交換樹脂を使用す
ることができる。
【００１０】上記主触媒は，上記空気電極において電極
反応を促進する役割を有しており，例えば，白金を使用
することができる。また，上記触媒層における助触媒の
担持量は，０．１〜２．０ｍｇ／ｃｍ2 とすることが好
ましい。上記助触媒の担持量が２．０ｍｇ／ｃｍ2 より
多い場合には，逆にガス通路を防ぐような構造となり，
更に電気抵抗を増大させ，特性の低下を招くおそれがあ
る。一方，０．１ｍｇ／ｃｍ2 未満である場合には，助
触媒としての機能が十分に働かないおそれがある。な
お，上記助触媒の担持量の単位『ｍｇ／ｃｍ2 』は，電
極の単位面積当たりに担持された助触媒の重量を意味す
る。
反応を促進する役割を有しており，例えば，白金を使用
することができる。また，上記触媒層における助触媒の
担持量は，０．１〜２．０ｍｇ／ｃｍ2 とすることが好
ましい。上記助触媒の担持量が２．０ｍｇ／ｃｍ2 より
多い場合には，逆にガス通路を防ぐような構造となり，
更に電気抵抗を増大させ，特性の低下を招くおそれがあ
る。一方，０．１ｍｇ／ｃｍ2 未満である場合には，助
触媒としての機能が十分に働かないおそれがある。な
お，上記助触媒の担持量の単位『ｍｇ／ｃｍ2 』は，電
極の単位面積当たりに担持された助触媒の重量を意味す
る。
【００１１】また，上記触媒層における撥水性粒子の担
持量は，導電性粒子：撥水性粒子＝８：２〜６：４（重
量比）とすることが好ましい。上記撥水性粒子の担持量
が８：２未満である場合には，撥水性が弱いおそれがあ
る。一方，６：４より多い場合には，電気抵抗が大きく
なるおそれがある。なお，最も好ましい上記撥水性粒子
の担持量は，導電性粒子：撥水性粒子＝７：３（重量
比）である。
持量は，導電性粒子：撥水性粒子＝８：２〜６：４（重
量比）とすることが好ましい。上記撥水性粒子の担持量
が８：２未満である場合には，撥水性が弱いおそれがあ
る。一方，６：４より多い場合には，電気抵抗が大きく
なるおそれがある。なお，最も好ましい上記撥水性粒子
の担持量は，導電性粒子：撥水性粒子＝７：３（重量
比）である。
【００１２】また，上記触媒層における高分子電解質の
担持量は０．０８〜２ｍｇ／ｃｍ2とすることが好まし
い。上記高分子電解質の担持量が０．０８ｍｇ／ｃｍ2
未満である場合には，電極反応が遅くなるおそれがあ
る。一方，２ｍｇ／ｃｍ2 より多い場合には，電気抵抗
が大きくなるおそれがある。なお，上記高分子電解質の
担持量は乾燥重量，単位は上記助触媒の場合と同様であ
る。
担持量は０．０８〜２ｍｇ／ｃｍ2とすることが好まし
い。上記高分子電解質の担持量が０．０８ｍｇ／ｃｍ2
未満である場合には，電極反応が遅くなるおそれがあ
る。一方，２ｍｇ／ｃｍ2 より多い場合には，電気抵抗
が大きくなるおそれがある。なお，上記高分子電解質の
担持量は乾燥重量，単位は上記助触媒の場合と同様であ
る。
【００１３】本発明の作用につき，以下に説明する。本
発明にかかる触媒層においては，助触媒として酸化バナ
ジウム，酸化セリウム，酸化ジルコニウムまたはこれら
の物質の２種以上の複合体が担持してある。これらの物
質はバナジウム，セリウム，ジルコニウム１原子に対し
て結合する酸素原子の個数が不定である酸化物である。
そして，上記物質は，後述する図３，図４に示すごとき
鎖状の構造を有し，かつ，特定の部分に結合した酸素原
子が比較的自由に出入り可能となっている（同図におい
て点線にて囲ったＡ部にかかる酸素原子が該当する）。
発明にかかる触媒層においては，助触媒として酸化バナ
ジウム，酸化セリウム，酸化ジルコニウムまたはこれら
の物質の２種以上の複合体が担持してある。これらの物
質はバナジウム，セリウム，ジルコニウム１原子に対し
て結合する酸素原子の個数が不定である酸化物である。
そして，上記物質は，後述する図３，図４に示すごとき
鎖状の構造を有し，かつ，特定の部分に結合した酸素原
子が比較的自由に出入り可能となっている（同図におい
て点線にて囲ったＡ部にかかる酸素原子が該当する）。
【００１４】そのため，上記物質は，周囲の雰囲気が酸
素リーンとなれば，酸素原子を放出することができ，一
方周囲の雰囲気が酸素リッチとなれば，酸素原子を吸収
することができる。よって，上記触媒層付近において，
常に酸素を一定以上の濃度に保持することができる。従
って，空気電極において過電圧を低く抑えることがで
き，空気利用率を高めることができる。また，一時的に
空気の供給が不足した場合には，上記助触媒より酸素が
放出されるため，この放出酸素を利用して空気電極は電
極反応を継続することができる。
素リーンとなれば，酸素原子を放出することができ，一
方周囲の雰囲気が酸素リッチとなれば，酸素原子を吸収
することができる。よって，上記触媒層付近において，
常に酸素を一定以上の濃度に保持することができる。従
って，空気電極において過電圧を低く抑えることがで
き，空気利用率を高めることができる。また，一時的に
空気の供給が不足した場合には，上記助触媒より酸素が
放出されるため，この放出酸素を利用して空気電極は電
極反応を継続することができる。
【００１５】以上のように，本発明によれば，空気利用
率を高めることができる，燃料電池用空気電極を提供す
ることができる。
率を高めることができる，燃料電池用空気電極を提供す
ることができる。
【００１６】次に，請求項２の発明は，ガス拡散層とそ
の表面に形成した触媒層とよりなり，該触媒層は，導電
性粒子，撥水性粒子，高分子電解質，主触媒及び助触媒
よりなり，また，該助触媒は，酸化バナジウム，酸化セ
リウム，酸化ジルコニウムまたはこれらの物質の２種以
上の複合体よりなる燃料電池用空気電極を製造するに当
たり，上記触媒層を構成する導電性粒子層に白金を担持
し，次いで該導電性粒子層をバナジウム，セリウム，ジ
ルコニウムの少なくとも１つを含有する溶液中に浸漬，
乾燥し，その後加熱することを特徴とする燃料電池用空
気電極の製造方法にある。
の表面に形成した触媒層とよりなり，該触媒層は，導電
性粒子，撥水性粒子，高分子電解質，主触媒及び助触媒
よりなり，また，該助触媒は，酸化バナジウム，酸化セ
リウム，酸化ジルコニウムまたはこれらの物質の２種以
上の複合体よりなる燃料電池用空気電極を製造するに当
たり，上記触媒層を構成する導電性粒子層に白金を担持
し，次いで該導電性粒子層をバナジウム，セリウム，ジ
ルコニウムの少なくとも１つを含有する溶液中に浸漬，
乾燥し，その後加熱することを特徴とする燃料電池用空
気電極の製造方法にある。
【００１７】これにより，主触媒として白金を用いた空
気電極であり，請求項１に示した，燃料電池における空
気利用率を高めることができる燃料電池用空気電極を得
ることができる。また，上記製造方法においては導電性
粒子に対し，主触媒となる白金を先に担持，また助触媒
の担持に際しては，熱処理温度３５０℃以下という条件
にて行うことが好ましい。これにより，白金の凝集を防
止することができる。
気電極であり，請求項１に示した，燃料電池における空
気利用率を高めることができる燃料電池用空気電極を得
ることができる。また，上記製造方法においては導電性
粒子に対し，主触媒となる白金を先に担持，また助触媒
の担持に際しては，熱処理温度３５０℃以下という条件
にて行うことが好ましい。これにより，白金の凝集を防
止することができる。
【００１８】また，上記バナジウム，セリウム，ジルコ
ニウムの少なくとも１つを含有する溶液としては，例え
ば，過塩素酸バナジウムのエタノール溶液，硝酸セリウ
ムのエタノール溶液，硝酸ジルコニルのエタノール溶液
等を挙げることができる。
ニウムの少なくとも１つを含有する溶液としては，例え
ば，過塩素酸バナジウムのエタノール溶液，硝酸セリウ
ムのエタノール溶液，硝酸ジルコニルのエタノール溶液
等を挙げることができる。
【００１９】
実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかる燃料電池用空気電極及びこ
の電極を設けた燃料電池につき，図１，図２を用いて説
明する。図１，図２に示すごとく，本例の燃料電池用空
気電極１２は，ガス拡散層１４とその表面に形成した触
媒層１６とよりなり，上記触媒層１６は導電性粒子１６
０，撥水性粒子１６３，高分子電解質１６４，主触媒１
６１，助触媒１６２よりなり，該助触媒１６２は酸化バ
ナジウムよりなる。
の電極を設けた燃料電池につき，図１，図２を用いて説
明する。図１，図２に示すごとく，本例の燃料電池用空
気電極１２は，ガス拡散層１４とその表面に形成した触
媒層１６とよりなり，上記触媒層１６は導電性粒子１６
０，撥水性粒子１６３，高分子電解質１６４，主触媒１
６１，助触媒１６２よりなり，該助触媒１６２は酸化バ
ナジウムよりなる。
【００２０】まず，本例にかかる燃料電池１につき説明
する。図１に示すごとく，上記燃料電池１は，水素電極
１１と空気電極１２と両者の間に配置された固体電解質
１３とよりなり，水素及び酸素を電極活物質として使用
する燃料電池である。上記燃料電池１において，水素電
極１１及び空気電極１２は共にガス拡散層１４とその表
面に形成した触媒層１５，１６とよりなる。
する。図１に示すごとく，上記燃料電池１は，水素電極
１１と空気電極１２と両者の間に配置された固体電解質
１３とよりなり，水素及び酸素を電極活物質として使用
する燃料電池である。上記燃料電池１において，水素電
極１１及び空気電極１２は共にガス拡散層１４とその表
面に形成した触媒層１５，１６とよりなる。
【００２１】そして，上記空気電極１２の触媒層１６
は，導電性粒子１６０であるカーボンブラック，撥水性
粒子１６３であるＰＴＦＥ，高分子電解質１６４である
陽イオン交換樹脂，上記カーボンブラックの表面に担持
された主触媒１６１である粒子状の白金及び助触媒１６
２である酸化バナジウムとよりなる。また，上記水素電
極１１の触媒層１５は導電性粒子１５０であるカーボン
ブラックと，これに担持された粒子状の白金１５１，撥
水性粒子１６３であるＰＴＦＥ，高分子電解質１６４で
ある陽イオン交換樹脂とよりなる。
は，導電性粒子１６０であるカーボンブラック，撥水性
粒子１６３であるＰＴＦＥ，高分子電解質１６４である
陽イオン交換樹脂，上記カーボンブラックの表面に担持
された主触媒１６１である粒子状の白金及び助触媒１６
２である酸化バナジウムとよりなる。また，上記水素電
極１１の触媒層１５は導電性粒子１５０であるカーボン
ブラックと，これに担持された粒子状の白金１５１，撥
水性粒子１６３であるＰＴＦＥ，高分子電解質１６４で
ある陽イオン交換樹脂とよりなる。
【００２２】また，上記水素電極１１，空気電極１２に
おけるガス拡散層１４はカーボンファイバー１４０を集
積，成形した炭素繊維板よりなる。なお，上記水素電極
１１における白金１５１の触媒層１５への担持量は０．
２ｍｇ／ｃｍ2 である。一方，上記空気電極１２におけ
る白金１６１の触媒層１６への担持量は０．２ｍｇ／ｃ
ｍ2 である。
おけるガス拡散層１４はカーボンファイバー１４０を集
積，成形した炭素繊維板よりなる。なお，上記水素電極
１１における白金１５１の触媒層１５への担持量は０．
２ｍｇ／ｃｍ2 である。一方，上記空気電極１２におけ
る白金１６１の触媒層１６への担持量は０．２ｍｇ／ｃ
ｍ2 である。
【００２３】また，上記水素電極１１及び上記空気電極
１２において共に，上記撥水性粒子１６３の担持量は，
導電性粒子：撥水性粒子＝７：３（重量比），上記陽イ
オン交換樹脂１６４の担持量は，０．４ｍｇ／ｃｍ2 で
ある。
１２において共に，上記撥水性粒子１６３の担持量は，
導電性粒子：撥水性粒子＝７：３（重量比），上記陽イ
オン交換樹脂１６４の担持量は，０．４ｍｇ／ｃｍ2 で
ある。
【００２４】そして，上記水素電極１１には水素含有ガ
ス３１が，空気電極１２には空気３２が供給される。こ
れらの水素含有ガス３１，空気３２はそれぞれの電極に
おけるガス拡散層１４側より導入する。更に，上記水素
電極１１と空気電極１２との間には，陽イオン交換樹脂
膜よりなる固体電解質１３が配置されている。
ス３１が，空気電極１２には空気３２が供給される。こ
れらの水素含有ガス３１，空気３２はそれぞれの電極に
おけるガス拡散層１４側より導入する。更に，上記水素
電極１１と空気電極１２との間には，陽イオン交換樹脂
膜よりなる固体電解質１３が配置されている。
【００２５】本例の助触媒である酸化バナジウムにつき
説明する。上記酸化バナジウムは，図３に示すごとき鎖
状の構造を有している。そして，同図において点線にて
囲ったＡ部にかかる酸素原子が外部の酸素濃度に応じて
出入りする。
説明する。上記酸化バナジウムは，図３に示すごとき鎖
状の構造を有している。そして，同図において点線にて
囲ったＡ部にかかる酸素原子が外部の酸素濃度に応じて
出入りする。
【００２６】次に，上記空気電極１２の製造方法につき
説明する。まず，上記ガス拡散層１４に対し，カーボン
ブラック及びＰＴＦＥの混合粉をバインダを含む溶剤と
混練することによりペースト状にし，上記ガス拡散層１
４の上にドクターブレードを用いて，シート状に成形す
る。
説明する。まず，上記ガス拡散層１４に対し，カーボン
ブラック及びＰＴＦＥの混合粉をバインダを含む溶剤と
混練することによりペースト状にし，上記ガス拡散層１
４の上にドクターブレードを用いて，シート状に成形す
る。
【００２７】次に，上記付着したカーボンブラックに対
し，Ｐｔ（ＮＯ3 ）（ＮＨ3 ）2 硝酸溶液を含浸，乾燥
後に温度１８０〜３００℃，水素ガス雰囲気（水素還元
雰囲気）にて熱処理を行う。以上により，上記カーボン
ブラックの表面に粒子状の白金が析出する。次に，上記
カーボンブラックに対し，過塩素酸バナジウム（ＶＣｌ
3 Ｏ）のエタノール溶液を含浸，乾燥させる。その後，
温度３５０℃，空気中にて熱処理を行う。更に，上記触
媒層１６に，陽イオン交換樹脂溶液を含浸，乾燥させ
る。以上により，空気電極１２を得た。
し，Ｐｔ（ＮＯ3 ）（ＮＨ3 ）2 硝酸溶液を含浸，乾燥
後に温度１８０〜３００℃，水素ガス雰囲気（水素還元
雰囲気）にて熱処理を行う。以上により，上記カーボン
ブラックの表面に粒子状の白金が析出する。次に，上記
カーボンブラックに対し，過塩素酸バナジウム（ＶＣｌ
3 Ｏ）のエタノール溶液を含浸，乾燥させる。その後，
温度３５０℃，空気中にて熱処理を行う。更に，上記触
媒層１６に，陽イオン交換樹脂溶液を含浸，乾燥させ
る。以上により，空気電極１２を得た。
【００２８】次に，本例における作用効果につき説明す
る。本例の空気電極１２の触媒層１６においては，助触
媒１６２として，図３に示すごとき，酸化バナジウムが
担持してある。上記酸化バナジウムは，周囲の雰囲気が
酸素リーンとなれば，酸素原子を放出することができ，
一方周囲の雰囲気が酸素リッチとなれば，酸素原子を吸
収することができる。よって，上記触媒層１６付近にお
いて，常に酸素の濃度を一定以上に保持することができ
る。
る。本例の空気電極１２の触媒層１６においては，助触
媒１６２として，図３に示すごとき，酸化バナジウムが
担持してある。上記酸化バナジウムは，周囲の雰囲気が
酸素リーンとなれば，酸素原子を放出することができ，
一方周囲の雰囲気が酸素リッチとなれば，酸素原子を吸
収することができる。よって，上記触媒層１６付近にお
いて，常に酸素の濃度を一定以上に保持することができ
る。
【００２９】従って，空気電極１２において過電圧を低
く抑えることができ，空気利用率を高めることができ
る。また，一時的に空気の供給が不足した場合には，上
記助触媒１６２より酸素が放出されるため，この放出酸
素を利用して空気電極１２は電極反応を継続することが
できる。
く抑えることができ，空気利用率を高めることができ
る。また，一時的に空気の供給が不足した場合には，上
記助触媒１６２より酸素が放出されるため，この放出酸
素を利用して空気電極１２は電極反応を継続することが
できる。
【００３０】以上のように，本例によれば，空気利用率
を高めることができる，燃料電池用空気電極を提供する
ことができる。
を高めることができる，燃料電池用空気電極を提供する
ことができる。
【００３１】実施形態例２ 本例は，図４に示すごとく，助触媒としてセリア・ジル
コニアを使用した空気電極である。本例にかかる空気電
極は，実施形態例１と同様に，ガス拡散層とその表面に
形成した触媒層とよりなり，上記触媒層は導電性粒子で
あるカーボンブラック，撥水性粒子のＰＴＦＥ，高分子
電解質の陽イオン交換樹脂，主触媒の白金と助触媒とよ
りなる。
コニアを使用した空気電極である。本例にかかる空気電
極は，実施形態例１と同様に，ガス拡散層とその表面に
形成した触媒層とよりなり，上記触媒層は導電性粒子で
あるカーボンブラック，撥水性粒子のＰＴＦＥ，高分子
電解質の陽イオン交換樹脂，主触媒の白金と助触媒とよ
りなる。
【００３２】そして，図４に示すごとく，上記助触媒は
鎖状の構造を有するセリア・ジルコニア複合体よりな
り，同図において点線にて囲ったＡ部にかかる酸素原子
が外部の酸素濃度に応じて出入りする。また，上記セリ
ア・ジルコニア複合体の化学式はＣｅ1-X ＺｒX Ｏ
2 （ｘ＝０．４〜０．７）で表される。その他は，実施
形態例１と同様である。
鎖状の構造を有するセリア・ジルコニア複合体よりな
り，同図において点線にて囲ったＡ部にかかる酸素原子
が外部の酸素濃度に応じて出入りする。また，上記セリ
ア・ジルコニア複合体の化学式はＣｅ1-X ＺｒX Ｏ
2 （ｘ＝０．４〜０．７）で表される。その他は，実施
形態例１と同様である。
【００３３】次に，本例の空気電極の製造方法につき説
明する。実施形態例１と同様にカーボンファイバーより
なるガス拡散層に，カーボンブラック及びＰＴＦＥの混
合粉を付着させる。次いで，上記カーボンブラックに対
し白金を担持させる。
明する。実施形態例１と同様にカーボンファイバーより
なるガス拡散層に，カーボンブラック及びＰＴＦＥの混
合粉を付着させる。次いで，上記カーボンブラックに対
し白金を担持させる。
【００３４】次に，上記カーボンブラックに対し，硝酸
セリウム（Ｃｅ（ＮＯ3 ）3 ・６Ｈ2 Ｏ）のエタノール
溶液，硝酸ジルコニル（ＺｒＯ（ＮＯ3 ）2 ・２Ｈ
2 Ｏ）のエタノール溶液を含浸，乾燥させる。その後，
温度３５０℃，空気中にて熱処理を行う。更に，上記触
媒層に，陽イオン交換樹脂溶液を含浸，乾燥させる。以
上により，空気電極を得た。なお，本例の空気電極にお
いても実施形態例１と同様の作用効果を有する。
セリウム（Ｃｅ（ＮＯ3 ）3 ・６Ｈ2 Ｏ）のエタノール
溶液，硝酸ジルコニル（ＺｒＯ（ＮＯ3 ）2 ・２Ｈ
2 Ｏ）のエタノール溶液を含浸，乾燥させる。その後，
温度３５０℃，空気中にて熱処理を行う。更に，上記触
媒層に，陽イオン交換樹脂溶液を含浸，乾燥させる。以
上により，空気電極を得た。なお，本例の空気電極にお
いても実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【００３５】実施形態例３ 本例は，本発明にかかる空気電極の性能を，試料１，試
料２と共に比較試料Ｃ１を用いて，説明するものであ
る。試料１は実施形態例１に示した空気電極である。試
料２は実施形態例２に示した空気電極である。比較試料
Ｃ１は，助触媒を含有していないことを除いて，上述の
試料１及び２と同様の空気電極である。
料２と共に比較試料Ｃ１を用いて，説明するものであ
る。試料１は実施形態例１に示した空気電極である。試
料２は実施形態例２に示した空気電極である。比較試料
Ｃ１は，助触媒を含有していないことを除いて，上述の
試料１及び２と同様の空気電極である。
【００３６】なお，上記試料１，２，比較試料Ｃ１のい
ずれの空気電極におけるガス拡散層も厚さが１８０μｍ
であり，触媒層の厚さは２０μｍである。そして，上記
触媒層にかかるカーボンブラックは平均粒径１８μｍで
ある。
ずれの空気電極におけるガス拡散層も厚さが１８０μｍ
であり，触媒層の厚さは２０μｍである。そして，上記
触媒層にかかるカーボンブラックは平均粒径１８μｍで
ある。
【００３７】次に，上記各試料１，２及び比較試料Ｃ１
にかかる空気電極を用いて，実施形態例１の図１に示し
た構造の燃料電池を組み立てる。上記燃料電池における
水素電極はガス拡散層と触媒層とよりなり，この触媒層
はカーボンブラック，ＰＴＦＥ，陽イオン交換樹脂，白
金よりなる。そして，このガス拡散層の厚さは１８０μ
ｍであり，触媒層の厚さは２０μｍである。
にかかる空気電極を用いて，実施形態例１の図１に示し
た構造の燃料電池を組み立てる。上記燃料電池における
水素電極はガス拡散層と触媒層とよりなり，この触媒層
はカーボンブラック，ＰＴＦＥ，陽イオン交換樹脂，白
金よりなる。そして，このガス拡散層の厚さは１８０μ
ｍであり，触媒層の厚さは２０μｍである。
【００３８】そして，上記水素電極に対して純水素を供
給する。また，上記空気電極にはエアコンプレッサーに
て外気より取込まれた空気が供給されている。また，上
記固体電解質は陽イオン交換樹脂膜よりなり，厚さ６０
μｍである。
給する。また，上記空気電極にはエアコンプレッサーに
て外気より取込まれた空気が供給されている。また，上
記固体電解質は陽イオン交換樹脂膜よりなり，厚さ６０
μｍである。
【００３９】このように構成した燃料電池につき，０．
５Ａ／ｃｍ2 の電流を流した状態における電圧と空気利
用率との間の関係を，一定負荷を与えて，０．５Ａ／ｃ
ｍ2の定電流に保持した状態で空気利用率１０％〜５０
％まで，１０％きざみで変化させた時の電圧を測定し
た。この時，水素利用率は８０％で，ガス圧力は水素，
空気共に常圧で運転している。なお，測定中の燃料電池
は各電極の温度が８０℃に保持されていた。上記結果に
つき，図５に示す。
５Ａ／ｃｍ2 の電流を流した状態における電圧と空気利
用率との間の関係を，一定負荷を与えて，０．５Ａ／ｃ
ｍ2の定電流に保持した状態で空気利用率１０％〜５０
％まで，１０％きざみで変化させた時の電圧を測定し
た。この時，水素利用率は８０％で，ガス圧力は水素，
空気共に常圧で運転している。なお，測定中の燃料電池
は各電極の温度が８０℃に保持されていた。上記結果に
つき，図５に示す。
【００４０】ここに，空気利用率とは，単位時間あたり
空気電極に対し供給された空気中の酸素分子の数と，燃
料電池の電池反応，Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏにお
いて消費された酸素分子の数との間の比である。本例に
かかる測定は電流一定で行っているため，本例にかかる
空気利用率は，空気電極に対し供給された空気中の酸素
分子の数と比例する。
空気電極に対し供給された空気中の酸素分子の数と，燃
料電池の電池反応，Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏにお
いて消費された酸素分子の数との間の比である。本例に
かかる測定は電流一定で行っているため，本例にかかる
空気利用率は，空気電極に対し供給された空気中の酸素
分子の数と比例する。
【００４１】即ち，空気利用率１００％とは，供給され
た空気中の酸素分子全てが電池反応に消費され，該電池
反応により得られた電流が０．５Ａ／ｃｍ2 となった状
態を示している。そして，本例の測定において，空気利
用率が減少することは，空気の供給量が多くなったこと
を示している。従って，空気利用率が高いほど，少ない
空気量で燃料電池より電流を取出すことができるといえ
る。そして，一般的には空気利用率が４０％以上となる
部分で燃料電池が作動することが望まれている。
た空気中の酸素分子全てが電池反応に消費され，該電池
反応により得られた電流が０．５Ａ／ｃｍ2 となった状
態を示している。そして，本例の測定において，空気利
用率が減少することは，空気の供給量が多くなったこと
を示している。従って，空気利用率が高いほど，少ない
空気量で燃料電池より電流を取出すことができるといえ
る。そして，一般的には空気利用率が４０％以上となる
部分で燃料電池が作動することが望まれている。
【００４２】図５に示すごとく，空気利用率が４０％を
越えた時点で，比較試料Ｃ１を使用した燃料電池の電圧
は大きく低下した。本例にかかる試料１，試料２は空気
利用率が４０％を越えても，さほど電圧が低下しなかっ
た。以上により，本発明にかかる空気電極を用いた燃料
電池は，空気利用率が高い状態でも，高性能を維持でき
ることが分かった。従って，本発明にかかる燃料電池は
供給される空気が少なくとも，十分な電力を取出すこと
ができ，空気を有効に利用できることが分かった。
越えた時点で，比較試料Ｃ１を使用した燃料電池の電圧
は大きく低下した。本例にかかる試料１，試料２は空気
利用率が４０％を越えても，さほど電圧が低下しなかっ
た。以上により，本発明にかかる空気電極を用いた燃料
電池は，空気利用率が高い状態でも，高性能を維持でき
ることが分かった。従って，本発明にかかる燃料電池は
供給される空気が少なくとも，十分な電力を取出すこと
ができ，空気を有効に利用できることが分かった。
【００４３】
【発明の効果】上記のごとく，本発明によれば，空気利
用率を高めることができる，燃料電池用空気電極及びそ
の製造方法を提供することができる。
用率を高めることができる，燃料電池用空気電極及びそ
の製造方法を提供することができる。
【図１】実施形態例１における，燃料電池の構造につい
ての説明図。
ての説明図。
【図２】実施形態例１における，水素電極における触媒
層の要部拡大説明図。
層の要部拡大説明図。
【図３】実施形態例１における，助触媒の酸化バナジウ
ムの化学構造式を示す説明図。
ムの化学構造式を示す説明図。
【図４】実施形態例２における，助触媒のセリア・ジル
コニア複合体の化学構造式を示す説明図。
コニア複合体の化学構造式を示す説明図。
【図５】実施形態例３における，試料及び比較試料にか
かる燃料電池の電圧と空気利用率との関係を示す説明
図。
かる燃料電池の電圧と空気利用率との関係を示す説明
図。
１．．．燃料電池， １１．．．水素電極， １４．．．ガス拡散層， １５．．．触媒層， １６０．．．導電性粒子， １６１．．．主触媒， １６２．．．助触媒，
Claims (2)
- 【請求項１】 ガス拡散層とその表面に形成した触媒層
とよりなる燃料電池用空気電極であって，上記触媒層
は，導電性粒子，撥水性粒子，高分子電解質，主触媒及
び助触媒よりなり，該助触媒は，酸化バナジウム，酸化
セリウム，酸化ジルコニウムまたはこれらの物質の２種
以上の複合体よりなることを特徴とする燃料電池用空気
電極。 - 【請求項２】 ガス拡散層とその表面に形成した触媒層
とよりなり，該触媒層は，導電性粒子，撥水性粒子，高
分子電解質，主触媒及び助触媒よりなり，また，該助触
媒は，酸化バナジウム，酸化セリウム，酸化ジルコニウ
ムまたはこれらの物質の２種以上の複合体よりなる燃料
電池用空気電極を製造するに当たり，上記触媒層を構成
する導電性粒子層に白金を担持し，次いで該導電性粒子
層をバナジウム，セリウム，ジルコニウムの少なくとも
１つを含有する溶液中に浸漬，乾燥し，その後加熱する
ことを特徴とする燃料電池用空気電極の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22775496A JP3588930B2 (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | 燃料電池用空気電極及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22775496A JP3588930B2 (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | 燃料電池用空気電極及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1055807A true JPH1055807A (ja) | 1998-02-24 |
| JP3588930B2 JP3588930B2 (ja) | 2004-11-17 |
Family
ID=16865858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22775496A Expired - Fee Related JP3588930B2 (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | 燃料電池用空気電極及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3588930B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001015247A3 (en) * | 1999-08-23 | 2001-10-25 | Ballard Power Systems | Fuel cell anode structure for voltage reversal tolerance |
| JP2003100308A (ja) * | 2001-09-21 | 2003-04-04 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池用カソード電極触媒およびその製造方法 |
| WO2005071777A1 (ja) * | 2004-01-22 | 2005-08-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池用カソード及びこれを備えた固体高分子型燃料電池 |
| US6936370B1 (en) | 1999-08-23 | 2005-08-30 | Ballard Power Systems Inc. | Solid polymer fuel cell with improved voltage reversal tolerance |
| WO2006100982A1 (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Nippon Shokubai Co., Ltd. | 燃料電池用電極触媒 |
| JP2007035289A (ja) * | 2005-07-22 | 2007-02-08 | Nippon Shokubai Co Ltd | 燃料電池用電極触媒、電極組成物および燃料電池 |
| JP2009502019A (ja) * | 2005-07-19 | 2009-01-22 | エルジー・ケム・リミテッド | 寿命特性が向上した電極触媒及びこれを利用した燃料電池 |
| US7608358B2 (en) | 2006-08-25 | 2009-10-27 | Bdf Ip Holdings Ltd. | Fuel cell anode structure for voltage reversal tolerance |
| JP2010280974A (ja) * | 2009-06-05 | 2010-12-16 | Permelec Electrode Ltd | ガス拡散電極およびその製法 |
| US20140342250A1 (en) * | 2011-09-15 | 2014-11-20 | Nissan Motor Co., Ltd. | Air cell and assembled battery using the same |
| JP2017174562A (ja) * | 2016-03-22 | 2017-09-28 | 三菱自動車工業株式会社 | 燃料電池用電極触媒 |
| DE102007048872B4 (de) | 2006-10-16 | 2025-12-31 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | Additive für Brennstoffzellenschichten |
-
1996
- 1996-08-08 JP JP22775496A patent/JP3588930B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001015247A3 (en) * | 1999-08-23 | 2001-10-25 | Ballard Power Systems | Fuel cell anode structure for voltage reversal tolerance |
| US6936370B1 (en) | 1999-08-23 | 2005-08-30 | Ballard Power Systems Inc. | Solid polymer fuel cell with improved voltage reversal tolerance |
| JP2003100308A (ja) * | 2001-09-21 | 2003-04-04 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池用カソード電極触媒およびその製造方法 |
| WO2005071777A1 (ja) * | 2004-01-22 | 2005-08-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池用カソード及びこれを備えた固体高分子型燃料電池 |
| WO2006100982A1 (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Nippon Shokubai Co., Ltd. | 燃料電池用電極触媒 |
| JP2009502019A (ja) * | 2005-07-19 | 2009-01-22 | エルジー・ケム・リミテッド | 寿命特性が向上した電極触媒及びこれを利用した燃料電池 |
| JP2007035289A (ja) * | 2005-07-22 | 2007-02-08 | Nippon Shokubai Co Ltd | 燃料電池用電極触媒、電極組成物および燃料電池 |
| US7608358B2 (en) | 2006-08-25 | 2009-10-27 | Bdf Ip Holdings Ltd. | Fuel cell anode structure for voltage reversal tolerance |
| DE102007048872B4 (de) | 2006-10-16 | 2025-12-31 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | Additive für Brennstoffzellenschichten |
| JP2010280974A (ja) * | 2009-06-05 | 2010-12-16 | Permelec Electrode Ltd | ガス拡散電極およびその製法 |
| US20140342250A1 (en) * | 2011-09-15 | 2014-11-20 | Nissan Motor Co., Ltd. | Air cell and assembled battery using the same |
| US9350058B2 (en) * | 2011-09-15 | 2016-05-24 | Nissan Motor Co., Ltd. | Air cell and assembled battery using the same |
| JP2017174562A (ja) * | 2016-03-22 | 2017-09-28 | 三菱自動車工業株式会社 | 燃料電池用電極触媒 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3588930B2 (ja) | 2004-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8846271B2 (en) | Electrode material | |
| JPH11167926A (ja) | Ｃｏ耐性を有する燃料電池電極 | |
| KR20090052018A (ko) | 연료전지용 전극촉매, 그 제조방법, 상기 전극촉매를포함하는 전극을 구비한 연료전지 | |
| US6242260B1 (en) | Design for an electrode | |
| JP3588930B2 (ja) | 燃料電池用空気電極及びその製造方法 | |
| JPH0817440A (ja) | 高分子電解質型電気化学セル用電極 | |
| KR20110037294A (ko) | 연료전지용 전극 촉매, 그 제조방법 및 이를 이용한 연료전지 | |
| US20170098834A1 (en) | Fuel cell anode catalyst and manufacturing method therefor | |
| CN1783556A (zh) | 燃料电池电极和膜电极组件以及燃料电池系统 | |
| JP2004510316A (ja) | タングステン含有燃料電池触媒及びその製造方法 | |
| JPH1145733A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP2003288915A (ja) | 固体高分子型燃料電池用膜電極接合体 | |
| JP4892811B2 (ja) | 電極触媒 | |
| JP2004335252A (ja) | 燃料電池用電極触媒およびその製造方法 | |
| US7887940B2 (en) | Electrolyte membrane, electrode, and fuel cell | |
| JP4349368B2 (ja) | 燃料電池用カソード及びこれを備えた固体高分子型燃料電池 | |
| EP1772916A2 (en) | Catalyst for Cathode of Fuel Cell, and Membrane-Electrode Assembly for Fuel Cell | |
| US20090081511A1 (en) | Electrode Catalyst for Fuel Cell | |
| KR100943952B1 (ko) | 연료 전지용 개질 촉매, 그 제조 방법, 이를 포함하는 연료전지용 개질기, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| Yano et al. | Temperature dependence of oxygen reduction activity at Nafion-coated Pt/graphitized carbon black catalysts prepared by the nanocapsule method | |
| JP2005141920A (ja) | 触媒担持電極 | |
| JP2005135671A (ja) | 燃料電池用電極 | |
| JP2009070733A (ja) | 単室型燃料電池及び修飾酸化マンガンの製造方法 | |
| JP3557804B2 (ja) | 燃料電池用水素電極及びその製造方法 | |
| JP2006179412A (ja) | 燃料電池用電極触媒層、およびこれを用いた燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040422 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040427 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040622 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040727 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040809 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070827 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080827 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090827 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090827 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100827 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100827 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110827 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |