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JP2018163843A - Fuel cell - Google Patents

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JP2018163843A
JP2018163843A JP2017061285A JP2017061285A JP2018163843A JP 2018163843 A JP2018163843 A JP 2018163843A JP 2017061285 A JP2017061285 A JP 2017061285A JP 2017061285 A JP2017061285 A JP 2017061285A JP 2018163843 A JP2018163843 A JP 2018163843A
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谷口 拓未
Takumi Taniguchi
拓未 谷口
智寛 石田
Tomohiro Ishida
智寛 石田
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】燃料電池において、白金の使用量を低減してコストを削減することができ、アイオノマによる白金の被毒に起因する発電効率の低下を抑制できる燃料電池の提供。【解決手段】電解質膜4、電解質膜4の一面に設けられたアノード2、及び電解質膜4の他面に設けられたカソード3を有する膜−電極アセンブリ(MEA)1を備えるものであって、アノード2が、中実状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含み、電解質膜4に対向配置されたアノード側触媒層2を有し、カソード3が、中空状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含み且つ電解質膜4に対向配置されたカソード側触媒層3を有する燃料電池。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of reducing the amount of platinum used and reducing the cost, and suppressing the decrease in power generation efficiency due to the poisoning of platinum by an ionomer. A membrane-electrode assembly (MEA) 1 having an electrolyte membrane 4, an anode 2 provided on one surface of the electrolyte membrane 4, and a cathode 3 provided on the other surface of the electrolyte membrane 4 is provided. The anode 2 includes a supported catalyst in which platinum is supported on a solid carbon carrier, and has an anode-side catalyst layer 2 that is arranged to face the electrolyte membrane 4, and the cathode 3 is such that platinum is supported on a hollow carbon carrier. A fuel cell including a supported catalyst and having a cathode-side catalyst layer 3 arranged opposite to an electrolyte membrane 4. [Selection diagram] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池(システム)では、水素ガスに代表される燃料ガス、及び空気に代表される酸化ガスが燃料電池に供給され、燃料ガスと酸化ガスとの発電反応(水生成反応)により電力が発生する。燃料電池としては、種々のタイプのものが開発されており、例えば、電解質の散逸や保持等の問題がなく、常温で起動し且つ起動時間が極めて早い等の利点を有する固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cells )等が挙げられ、具体的には、高電圧を得るために複数の燃料電池(単セル)がスタック化されたもの(燃料電池スタック)が自動車等の移動体等に採用されつつある。   In a fuel cell (system), a fuel gas typified by hydrogen gas and an oxidizing gas typified by air are supplied to the fuel cell, and electric power is generated by a power generation reaction (water generation reaction) between the fuel gas and the oxidizing gas. . Various types of fuel cells have been developed. For example, there are no problems such as electrolyte dissipation and retention, and the polymer electrolyte fuel cell has advantages such as startup at room temperature and extremely fast startup time. (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cells), etc. Specifically, a plurality of fuel cells (single cells) stacked to obtain a high voltage (fuel cell stack) is a moving body such as an automobile. Is being adopted.

単セルとしては、例えば、電解質膜とその一面に設けられたアノード及び他面に設けられたカソードとで構成されるMEA(膜−電極アッセンブリ;Membrane Electrode Assembly)がセパレータで挟持されたものが挙げられ、アノード及びカソードは、通常、電解質膜側に形成された触媒層とセパレータ側に形成された触媒層とを有している。かかる構成を電解質膜と触媒層との位置関係に着目すれば、MEAの電解質膜の両面に触媒層が配置されている。触媒層としては、カーボン等の担体に白金(Pt)等の触媒金属が担持されたものが広く用いられており、担体としては、中空状粒子や中実状粒子からなるものが知られている(例えば特許文献1参照)。   As the single cell, for example, an MEA (membrane-electrode assembly) composed of an electrolyte membrane, an anode provided on one surface and a cathode provided on the other surface is sandwiched by separators. The anode and the cathode usually have a catalyst layer formed on the electrolyte membrane side and a catalyst layer formed on the separator side. If attention is paid to the positional relationship between the electrolyte membrane and the catalyst layer in such a configuration, the catalyst layers are disposed on both surfaces of the MEA electrolyte membrane. As the catalyst layer, a support made of carbon or the like and a catalyst metal such as platinum (Pt) is widely used, and the support made of hollow particles or solid particles is known ( For example, see Patent Document 1).

2008−171720号公報2008-171720

ところで、中空状カーボン担体に白金が担持された担持触媒の場合、白金は中空状カーボン担体の外面だけではなく、中空部分である内面にも付着しているが、中空部分は発電に殆ど寄与しないため、そこに付着した白金は無駄になり、コストの増大を招いてしまう。一方、中実状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を使用すると、白金が触媒層表面のアイオノマに被毒され易くなり、発電効率が低下する傾向にある。   By the way, in the case of a supported catalyst in which platinum is supported on a hollow carbon carrier, platinum adheres not only to the outer surface of the hollow carbon carrier but also to the inner surface which is a hollow part, but the hollow part hardly contributes to power generation. Therefore, the platinum adhering to it is wasted and increases the cost. On the other hand, when a supported catalyst in which platinum is supported on a solid carbon support is used, platinum tends to be poisoned by an ionomer on the surface of the catalyst layer, and power generation efficiency tends to be reduced.

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、白金の使用量を低減してコストを削減することができるとともに、アイオノマによる白金の被毒に起因する発電効率の低下を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and can reduce the amount of platinum used to reduce the cost, and suppress the decrease in power generation efficiency due to the poisoning of platinum by ionomers. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be used.

上記課題を解決するため、本発明の一態様による燃料電池は、電解質膜、該電解質膜の一面に設けられたアノード、及び該電解質膜の他面に設けられたカソードを有するMEAを備えるものであって、アノードが、中実状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含み且つ電解質膜に対向配置されたアノード側触媒層を有し、カソードが、中空状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含み且つ電解質膜に対向配置されたカソード側触媒層を有する。   In order to solve the above problems, a fuel cell according to an aspect of the present invention includes an MEA having an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane. The anode includes a supported catalyst in which platinum is supported on a solid carbon support and has an anode-side catalyst layer disposed opposite to the electrolyte membrane, and the cathode is supported in which platinum is supported on a hollow carbon support. It has a cathode side catalyst layer that contains a catalyst and is arranged opposite to the electrolyte membrane.

一般に、燃料電池のMEAにおけるアノード側では、電位が比較的低いことから、アノード側触媒層の白金はアイオノマに被毒され難い傾向にある。よって、アノード側触媒層の触媒担体として中実状カーボン担体を用いても、白金がアイオノマに被毒され難く、これにより、発電効率の低下を防止することができる。しかも、中実状カーボン担体を用いると、白金が担体の内部に殆ど入ることがなく、発電効率への寄与が大きい外面に白金を担持しておくことができるので、白金の使用量を軽減してコストを削減することができる。   In general, since the potential is relatively low on the anode side in the MEA of the fuel cell, platinum in the anode side catalyst layer tends not to be poisoned by ionomers. Therefore, even if a solid carbon carrier is used as the catalyst carrier of the anode side catalyst layer, platinum is hardly poisoned by the ionomer, and thus a reduction in power generation efficiency can be prevented. In addition, when a solid carbon carrier is used, platinum hardly enters the inside of the carrier, and platinum can be supported on the outer surface, which greatly contributes to power generation efficiency, thereby reducing the amount of platinum used. Cost can be reduced.

一方、燃料電池のMEAにおけるカソード側では、電位が比較的高いことから、カソード側触媒層の白金はアイオノマに被毒され易い傾向にある。これに対し、カソード側触媒層の触媒担体として中空状カーボン担体を用いると、白金が中空状カーボン担体の中空部分(内部)にも入り込んで担持されるので、中実状カーボン担体を用いた場合に比して、アイオノマによる白金の被毒を低減することができ、これにより、発電効率の低下を抑制することができる。   On the other hand, since the potential is relatively high on the cathode side of the MEA of the fuel cell, platinum in the cathode side catalyst layer tends to be easily poisoned by ionomers. On the other hand, when a hollow carbon carrier is used as the catalyst carrier of the cathode side catalyst layer, platinum enters the hollow portion (inside) of the hollow carbon carrier and is supported, so when a solid carbon carrier is used. In comparison, the poisoning of platinum by ionomers can be reduced, thereby suppressing a decrease in power generation efficiency.

本発明によれば、触媒層における白金の担体として中実状カーボン担体と中空状カーボン担体を併用する、すなわち、より具体的には、アノード側触媒層が、中実状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含み、カソード側触媒層が、中空状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含むことにより、白金の使用量を軽減してコストを削減することができるとともに、アイオノマによる白金の被毒に起因する発電効率の低下を抑制することが可能となる。   According to the present invention, a solid carbon carrier and a hollow carbon carrier are used in combination as the platinum carrier in the catalyst layer, that is, more specifically, the anode side catalyst layer has platinum supported on the solid carbon carrier. By including a supported catalyst, and the cathode side catalyst layer includes a supported catalyst in which platinum is supported on a hollow carbon support, the amount of platinum used can be reduced and the cost can be reduced. It is possible to suppress a decrease in power generation efficiency due to poison.

本発明の一態様に係る固体高分子形燃料電池におけるMEAの構成の一例を部分的に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows partially an example of a structure of MEA in the polymer electrolyte fuel cell which concerns on 1 aspect of this invention. (A)及び(B)は、それぞれ、アノード側触媒層2における担持触媒5a及びカソード側触媒層3における担持触媒5bの構造の一例を示す概略断面図である。(A) And (B) is a schematic sectional drawing which shows an example of the structure of the supported catalyst 5a in the anode side catalyst layer 2, and the supported catalyst 5b in the cathode side catalyst layer 3, respectively. アノード側触媒層2に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における白金Ptの目付けに対する白金Ptの電気化学表面積(ECSA)の変化を示すグラフである。Platinum in the case where the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7a and the supported catalyst 5b in which platinum Pt is supported on the hollow carbon support 7b are used for the anode side catalyst layer 2. It is a graph which shows the change of the electrochemical surface area (ECSA) of platinum Pt with respect to the fabric weight of Pt. MEA1の両触媒層2,3に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における電流密度に対するセル電圧の変化を示すグラフである。When the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7a is used for both catalyst layers 2 and 3 of the MEA 1, and the supported catalyst 5b in which platinum Pt is supported on the hollow carbon support 7b is used. It is a graph which shows the change of the cell voltage with respect to the current density in a case. MEA1の両触媒層2,3に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における白金Ptの電気化学表面積(ECSA)に対する目標電流密度におけるセル電圧の変化を示すグラフである。When the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7a is used for both catalyst layers 2 and 3 of the MEA 1, and the supported catalyst 5b in which platinum Pt is supported on the hollow carbon support 7b is used. It is a graph which shows the change of the cell voltage in the target current density with respect to the electrochemical surface area (ECSA) of platinum Pt in the case. MEA1の両触媒層2,3に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における白金Ptの電気化学表面積(ECSA)に対するアノード過電圧の変化を示すグラフである。When the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7a is used for both catalyst layers 2 and 3 of the MEA 1, and the supported catalyst 5b in which platinum Pt is supported on the hollow carbon support 7b is used. It is a graph which shows the change of the anode overvoltage with respect to the electrochemical surface area (ECSA) of platinum Pt in the case.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。さらに、当業者であれば、以下に述べる各要素を均等なものに置換した実施の形態を採用することが可能であり、かかる実施の形態も本発明の範囲に含まれる。またさらに、必要に応じて示す上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の表示に基づくものとする。さらにまた、図面における各種の寸法比率は、その図示の比率に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention only to the embodiments. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof. Furthermore, those skilled in the art can employ embodiments in which the elements described below are replaced with equivalent ones, and such embodiments are also included in the scope of the present invention. Furthermore, positional relationships such as up, down, left, and right shown as needed are based on the display shown unless otherwise specified. Furthermore, various dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.

図1は、本発明の一態様に係る固体高分子型燃料電池(PEFC)におけるMEAの構成の一例を部分的に示す概略断面図である。MEA1は、アノードにおけるアノード側触媒層2、及び、カソードにおけるカソード側触媒層3と、それらの間に介在するとともにイオン伝導性固体電解質6を含んだ電解質膜4とを備えている。このとおり、アノード側触媒層2及びカソード側触媒層3は、それぞれ、電解質膜4の一面側及び他面側(両面側)に対向配置されている。また、アノード側触媒層2は、担持触媒5aとイオン伝導性固体電解質6とを含み、カソード側触媒層3は、担持触媒5bとイオン伝導性固体電解質6とを含んでいる。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view partially showing an example of the configuration of an MEA in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) according to an aspect of the present invention. The MEA 1 includes an anode-side catalyst layer 2 in the anode and a cathode-side catalyst layer 3 in the cathode, and an electrolyte membrane 4 interposed between them and including an ion conductive solid electrolyte 6. As described above, the anode-side catalyst layer 2 and the cathode-side catalyst layer 3 are disposed to face the one surface side and the other surface side (both surface sides) of the electrolyte membrane 4, respectively. The anode side catalyst layer 2 includes a supported catalyst 5 a and an ion conductive solid electrolyte 6, and the cathode side catalyst layer 3 includes a supported catalyst 5 b and an ion conductive solid electrolyte 6.

次に、図2(A)及び(B)は、それぞれ、アノード側触媒層2における担持触媒5a及びカソード側触媒層3における担持触媒5bの構造の一例を示す概略断面図である。図2(A)に示す如く、アノード側触媒層2に含まれる担持触媒5aは、中実状カーボン担体7aの粒子の表面に白金Ptが担持されたものである。また、図2(B)に示す如く、カソード側触媒層3に含まれる担持触媒5bは、中空状カーボン担体7bの粒子の表面に白金Ptが担持されたものである。   Next, FIGS. 2A and 2B are schematic cross-sectional views showing examples of the structures of the supported catalyst 5a in the anode side catalyst layer 2 and the supported catalyst 5b in the cathode side catalyst layer 3, respectively. As shown in FIG. 2 (A), the supported catalyst 5a included in the anode side catalyst layer 2 is one in which platinum Pt is supported on the surface of particles of the solid carbon support 7a. Further, as shown in FIG. 2B, the supported catalyst 5b included in the cathode side catalyst layer 3 is one in which platinum Pt is supported on the surface of the particles of the hollow carbon support 7b.

中実状カーボン担体7aは中実形状を有し、中空状カーボン担体7bは中空形状を有することから、同程度の粒子径サイズでは、中空状カーボン担体7bの方が中実状カーボン担体7aよりも、比表面積及び白金Ptの担持量が大きい傾向にある。また、中実状カーボン担体7aも、実際には、若干の内部構造を有しており、白金Ptの分布としては、外面(外部表面)に担持された白金Ptの量の方が、内面(内部表面)に担持された白金Ptの量よりも多くなっている。一方、中空状カーボン担体7bにおける白金Ptの分布としては、内面に担持された白金Ptの量の方が、外面に担持された白金Ptの量よりも多くなっている。   Since the solid carbon support 7a has a solid shape and the hollow carbon support 7b has a hollow shape, the hollow carbon support 7b is more solid than the solid carbon support 7a at the same particle size. The specific surface area and the amount of platinum Pt supported tend to be large. In addition, the solid carbon support 7a also has a slight internal structure, and the distribution of platinum Pt is that the amount of platinum Pt supported on the outer surface (external surface) is the inner surface (internal (internal)). The amount of platinum Pt supported on the surface) is larger. On the other hand, regarding the distribution of platinum Pt in the hollow carbon carrier 7b, the amount of platinum Pt supported on the inner surface is larger than the amount of platinum Pt supported on the outer surface.

なお、これらの担持触媒5a,5bは、白金Pt以外の貴金属(合金を含む)を含んでいても構わないが、場合によっては、特にカソード側触媒層3において、当該金属の酸化物の生成に起因して、担持触媒5bの触媒活性が低下することがあり得るため、実質的に白金のみを含んでいることが好ましい。   These supported catalysts 5a and 5b may contain noble metals (including alloys) other than platinum Pt. However, in some cases, particularly in the cathode-side catalyst layer 3, the oxides of the metals are generated. As a result, the catalytic activity of the supported catalyst 5b may be lowered, so that it is preferable that the catalyst substantially contains only platinum.

かかる構成を有するMEA1においては、アノード側触媒層2から燃料ガスである水素ガスが供給されるとともに、カソード側触媒層3に空気等の酸化ガスが供給され、アノード側触媒層2とカソード側触媒層3との間において発電反応による起電力が生じる。より具体的には、アノード側触媒層2では、白金の触媒作用によって水素分子が酸化され、プロトンと電子とを生じる。ここで生じた電子は、カーボン担体を導体路としてアノード側触媒層2から外部回路へと取り出され、プロトンはアノード側触媒層2から電解質膜4を経由してカソード側触媒層3へと移動する。カソード側触媒層3に到達したプロトンは、白金Ptの触媒作用によって、外部回路からカーボン担体を導体路として供給される電子及び酸素分子と反応して水を生じる。こうして、MEA1により水素ガスと酸素ガスとから電気エネルギーが生成される。   In the MEA 1 having such a configuration, a hydrogen gas as a fuel gas is supplied from the anode side catalyst layer 2 and an oxidizing gas such as air is supplied to the cathode side catalyst layer 3 so that the anode side catalyst layer 2 and the cathode side catalyst are supplied. An electromotive force is generated between the layer 3 and a power generation reaction. More specifically, in the anode side catalyst layer 2, hydrogen molecules are oxidized by the catalytic action of platinum to generate protons and electrons. The generated electrons are taken out from the anode side catalyst layer 2 to the external circuit using the carbon carrier as a conductor path, and protons move from the anode side catalyst layer 2 to the cathode side catalyst layer 3 via the electrolyte membrane 4. . Protons that reach the cathode catalyst layer 3 react with the electrons and oxygen molecules supplied from the external circuit using the carbon carrier as a conductor path by the catalytic action of platinum Pt to generate water. Thus, electric energy is generated from the hydrogen gas and the oxygen gas by the MEA 1.

ここで、中実状カーボン担体7aに白金が担持された担持触媒5a、及び、中空状カーボン担体7bに白金が担持された担持触媒5bの電気特性の一例について、以下に説明する。図3は、アノード側触媒層2に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における白金Ptの目付けに対する白金Ptの電気化学表面積(ECSA)の変化を示すグラフである。なお、白金の電気化学表面積(ECSA)は、常法に従い、サイクリックボルタンメトリ(CV)測定により求めた。なお、電気化学表面積(ECSA)は、電極上の反応に寄与している担持触媒の有効面積を示し、この値が高いほど、白金の電解質に対する分散性に優れており、担持触媒の表面が有効に利用されていることを示す指標である。   Here, an example of the electrical characteristics of the supported catalyst 5a in which platinum is supported on the solid carbon support 7a and the supported catalyst 5b in which platinum is supported on the hollow carbon support 7b will be described below. FIG. 3 shows a case where a supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on a solid carbon support 7a is used for the anode side catalyst layer 2 and a supported catalyst 5b in which platinum Pt is supported on a hollow carbon support 7b. It is a graph which shows the change of the electrochemical surface area (ECSA) of platinum Pt with respect to the weight of platinum Pt in the case of being. In addition, the electrochemical surface area (ECSA) of platinum was calculated | required by the cyclic voltammetry (CV) measurement in accordance with the conventional method. The electrochemical surface area (ECSA) indicates the effective area of the supported catalyst that contributes to the reaction on the electrode. The higher this value, the better the dispersibility of platinum in the electrolyte, and the more effective the surface of the supported catalyst. It is an index indicating that it is used for

図3において、横軸は白金Ptの目付け[mg/cm2]を示し、縦軸はECSA[m2/g]を示す。また、同図において、四角マークのシンボルは、中実状カーボン担体7aに白金が担持された担持触媒5aのデータを示し、菱型マークのシンボルは、中空状カーボン担体7bに白金が担持された担持触媒5bのデータを示す。これらの結果より、中実状カーボン担体7a用いた担持触媒5a及び中空状カーボン担体7bを用いた担持触媒5bのいずれにおいても、白金Pt目付けに応じてECSAがほぼ一定の割合で変化することが理解される。 In FIG. 3, the horizontal axis represents the platinum Pt basis weight [mg / cm 2 ], and the vertical axis represents ECSA [m 2 / g]. Further, in the same figure, the square mark symbol indicates the data of the supported catalyst 5a in which platinum is supported on the solid carbon support 7a, and the diamond mark symbol indicates the support in which platinum is supported on the hollow carbon support 7b. The data of catalyst 5b are shown. From these results, it is understood that in both the supported catalyst 5a using the solid carbon support 7a and the supported catalyst 5b using the hollow carbon support 7b, the ECSA changes at a substantially constant rate according to the platinum Pt weight. Is done.

また、白金Pt目付けが同じ場合、中実状カーボン担体7aを用いた担持触媒5aの方が、中空状カーボン担体7bを用いた担持触媒5bよりも、ECSAが有意に大きい傾向にあることが判明した。これにより、例えば図3に破線で示すとおり、白金Pt目付けが0.027[mg/cm2]である中実状カーボン担体7aを用いた担持触媒5aもECSAは約23[m2/g]であり、この発電効率は、白金Pt目付けが0.038[mg/cm2]である中空状カーボン担体7bを用いた担持触媒5bの発電効率に相当することが理解される。すなわち、中実状カーボン担体7aを用いた担持触媒5aをアノード側触媒層2に用いることにより、白金Ptの利用効率が高められ、その結果、白金Ptの使用量を軽減してコストを削減することができる。 Further, when the platinum Pt basis weight was the same, it was found that the supported catalyst 5a using the solid carbon support 7a tended to have a significantly larger ECSA than the supported catalyst 5b using the hollow carbon support 7b. . Thus, for example, as shown by a broken line in FIG. 3, the supported catalyst 5a using the solid carbon support 7a having a platinum Pt basis weight of 0.027 [mg / cm 2 ] also has an ECSA of about 23 [m 2 / g]. It is understood that this power generation efficiency corresponds to the power generation efficiency of the supported catalyst 5b using the hollow carbon support 7b having a platinum Pt basis weight of 0.038 [mg / cm 2 ]. That is, by using the supported catalyst 5a using the solid carbon support 7a for the anode side catalyst layer 2, the utilization efficiency of platinum Pt is enhanced, and as a result, the amount of platinum Pt used is reduced and the cost is reduced. Can do.

図4は、MEA1の両触媒層2,3に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における電流密度に対するセル電圧の変化を示すグラフである。図4において、横軸は電流密度[A/cm2]を示し、縦軸はセル電圧[V]を示す。また、同図において、四角マークのシンボルは、中実状カーボン担体7aに白金Ptが0.027[mg/cm2]の目付けで担持された担持触媒5aのデータを示し、三角マークのシンボルは、中空状カーボン担体7bに白金Ptが0.050[mg/cm2]の目付けで担持された担持触媒5bのデータを示す。さらに、同図においては、2つの破線により、電流電圧特性の目標値(目標出力)である0.66[V]@2.2[A/cm2]を示す。 FIG. 4 shows a case where a supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on a solid carbon support 7a is used for both catalyst layers 2 and 3 of the MEA 1, and a supported catalyst in which platinum Pt is supported on a hollow carbon support 7b. It is a graph which shows the change of the cell voltage with respect to the current density in the case of using 5b. In FIG. 4, the horizontal axis represents current density [A / cm 2 ], and the vertical axis represents cell voltage [V]. In addition, in the same figure, the symbol of the square mark indicates the data of the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7a with the basis weight of 0.027 [mg / cm 2 ], and the symbol of the triangular mark is Data of the supported catalyst 5b in which platinum Pt is supported on the hollow carbon support 7b with a basis weight of 0.050 [mg / cm 2 ] is shown. Further, in the figure, two broken lines indicate 0.66 [V] @ 2.2 [A / cm 2 ], which is the target value (target output) of the current-voltage characteristic.

これらの結果より、電流電圧特性の目標値での電流密度である2.2[A/cm2]における中実状カーボン担体7aを用いた担持触媒5a、及び、中空状カーボン担体7bを用いた担持触媒5bのセル電圧は、それぞれ、0.674[V]及び0.671[V]であり、いずれも目標電流密度における目標セル電圧0.66[V]近傍の電圧を発現することが確認された。このことから、中実状カーボン担体7aを用いた担持触媒5aは、白金Ptの目付けが、中空状カーボン担体7bを用いた担持触媒5bの白金Ptの目付けの半分程度であるにも拘わらず、その中空状カーボン担体7bを用いた担持触媒5bと同等の電流電圧特性を有することが判明した。 From these results, the supported catalyst 5a using the solid carbon support 7a and the support using the hollow carbon support 7b at 2.2 [A / cm 2 ] which is the current density at the target value of the current-voltage characteristics. The cell voltages of the catalyst 5b are 0.674 [V] and 0.671 [V], respectively, and it is confirmed that both generate voltages near the target cell voltage 0.66 [V] at the target current density. It was. From this, the supported catalyst 5a using the solid carbon support 7a has a basis weight of platinum Pt that is about half that of the platinum Pt of the supported catalyst 5b using the hollow carbon support 7b. It has been found that the current-voltage characteristics are equivalent to those of the supported catalyst 5b using the hollow carbon support 7b.

図5は、MEA1の両触媒層2,3に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における白金Ptの電気化学表面積(ECSA)に対する目標電流密度におけるセル電圧の変化を示すグラフである。図5において、横軸はECSA[m2/g]を示し、縦軸は目標電流密度におけるセル電圧[V]を示す。また、図6は、MEA1の両触媒層2,3に、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを用いた場合、及び、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを用いた場合における白金Ptの電気化学表面積(ECSA)に対するアノード過電圧の変化を示すグラフである。図6において、横軸はECSA[m2/g]を示し、縦軸はアノード過電圧[mV]を示す。 FIG. 5 shows a case where a supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on a solid carbon support 7a is used for both catalyst layers 2 and 3 of the MEA 1, and a supported catalyst in which platinum Pt is supported on a hollow carbon support 7b. It is a graph which shows the change of the cell voltage in the target current density with respect to the electrochemical surface area (ECSA) of platinum Pt in the case of using 5b. In FIG. 5, the horizontal axis represents ECSA [m 2 / g], and the vertical axis represents the cell voltage [V] at the target current density. FIG. 6 shows the case where the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7a is used for both catalyst layers 2 and 3 of the MEA 1, and the platinum Pt is supported on the hollow carbon support 7b. It is a graph which shows the change of the anode overvoltage with respect to the electrochemical surface area (ECSA) of platinum Pt at the time of using the supported catalyst 5b. In FIG. 6, the horizontal axis represents ECSA [m 2 / g], and the vertical axis represents anode overvoltage [mV].

また、図5及び図6において、三角マークのシンボルは、中実状カーボン担体7aに白金Ptが0.020[mg/cm2]の目付けで担持された担持触媒5aのデータを示し、四角マークのシンボルは、中実状カーボン担体7aに白金Ptが0.030[mg/cm2]の目付けで担持された担持触媒5aのデータを示し、菱形マークのシンボルは、中空状カーボン担体7bに白金Ptが0.050[mg/cm2]の目付けで担持された担持触媒5bのデータを示す。さらに、各黒塗りのシンボルは、経時的な発電運転を開始した初期のデータを示し、各白抜きのシンボルは、所定の運転条件で経時的な発電運転を行った後(すなわち、いわゆる耐久後)のデータを示す。これらの結果より、中実状カーボン担体7aを用いた担持触媒5a及び中空状カーボン担体7bを用いた担持触媒5bのいずれにおいても、経時的な発電運転期間中において優れた耐久性を有することが確認された。 5 and 6, the triangular mark symbol indicates data of the supported catalyst 5 a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7 a with a basis weight of 0.020 [mg / cm 2 ]. The symbol indicates data of the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on a solid carbon support 7a with a basis weight of 0.030 [mg / cm 2 ], and the diamond mark symbol indicates that platinum Pt is applied to the hollow carbon support 7b. The data of the supported catalyst 5b supported with a basis weight of 0.050 [mg / cm 2 ] are shown. Furthermore, each black symbol indicates initial data when the time-dependent power generation operation is started, and each white symbol is a symbol after performing a power generation operation over time under a predetermined operation condition (that is, after so-called endurance). ) Data. From these results, it is confirmed that both the supported catalyst 5a using the solid carbon support 7a and the supported catalyst 5b using the hollow carbon support 7b have excellent durability during the power generation operation period. It was done.

このように構成されたMEA1を備える本発明の一態様による燃料電池によれば、MEA1におけるアノード側では、電位が比較的低いことから、アノード側触媒層2におけるカーボン担体の外面に担持された白金Ptがアイオノマ8(図2(A)参照)と接しても被毒され難い傾向にある。よって、アノード側触媒層2の触媒担体として中実状カーボン担体7aを用いても、白金Ptがアイオノマ8に被毒され難く、これにより、発電効率の低下を防止することができる。しかも、中実状カーボン担体7aを用いると、白金Ptが担体の内部に入ることが殆どなく、白金Ptを発電効率への寄与が大きい外面に担持しておくことができるので、白金Ptの使用量を軽減してコストを削減することができる。   According to the fuel cell according to one aspect of the present invention including the MEA 1 configured as described above, since the potential is relatively low on the anode side of the MEA 1, platinum supported on the outer surface of the carbon support in the anode side catalyst layer 2. Even if Pt is in contact with the ionomer 8 (see FIG. 2A), it tends not to be poisoned. Therefore, even if the solid carbon carrier 7a is used as the catalyst carrier of the anode side catalyst layer 2, platinum Pt is not easily poisoned by the ionomer 8, thereby preventing the power generation efficiency from being lowered. In addition, when the solid carbon carrier 7a is used, platinum Pt hardly enters the inside of the carrier, and platinum Pt can be supported on the outer surface that greatly contributes to power generation efficiency. Can reduce the cost.

また、MEA1におけるカソード側では、電位が比較的高いことから、カソード側触媒層3におけるカーボン担体の外面に担持された白金Ptがアイオノマ8(図2(B)参照)に接すると被毒され易い傾向にある。これに対し、カソード側触媒層3の触媒担体として中空状カーボン担体7bを用いると、白金Ptが中空状カーボン担体7bの中空部分(内部)にも入り込んで担持されるので(図2(B)参照)、中実状カーボン担体7aを用いた場合に比して、アイオノマ8による白金Ptの被毒を低減することができ、これにより、発電効率の低下を抑制することができる。   Further, since the potential on the cathode side of MEA 1 is relatively high, platinum Pt supported on the outer surface of the carbon support in cathode side catalyst layer 3 is likely to be poisoned when it contacts ionomer 8 (see FIG. 2B). There is a tendency. On the other hand, when the hollow carbon carrier 7b is used as the catalyst carrier of the cathode side catalyst layer 3, platinum Pt also enters and is supported in the hollow portion (inside) of the hollow carbon carrier 7b (FIG. 2B). Compared to the case where the solid carbon support 7a is used, the poisoning of platinum Pt by the ionomer 8 can be reduced, and thereby the reduction in power generation efficiency can be suppressed.

このとおり、本発明によれば、アノード側触媒層2が、中実状カーボン担体7aに白金Ptが担持された担持触媒5aを含み、カソード側触媒層3が、中空状カーボン担体7bに白金Ptが担持された担持触媒5bを含むことにより、白金Ptの使用量を軽減してコストを削減することができるとともに、アイオノマによる白金Ptの被毒に起因する発電効率の低下を抑制することが可能となる。   As described above, according to the present invention, the anode side catalyst layer 2 includes the supported catalyst 5a in which platinum Pt is supported on the solid carbon support 7a, and the cathode side catalyst layer 3 includes platinum Pt on the hollow carbon support 7b. By including the supported catalyst 5b that is supported, the amount of platinum Pt used can be reduced and the cost can be reduced, and the decrease in power generation efficiency due to poisoning of platinum Pt by ionomer can be suppressed. Become.

なお、上述したとおり、上記の各実施形態は、本発明を説明するための一例であり、本発明をその実施形態に限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な変形が可能である。例えば、MEA1では、アノード側触媒層2、カソード側触媒層3、及び電解質膜4に、同種のイオン伝導性固体電解質6を使用してもよく、或いは、互いに異なる種類のイオン伝導性固体電解質6を使用してもよい。   Note that, as described above, each of the above embodiments is an example for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention to the embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof. For example, in the MEA 1, the same type of ion conductive solid electrolyte 6 may be used for the anode side catalyst layer 2, the cathode side catalyst layer 3, and the electrolyte membrane 4, or different types of ion conductive solid electrolytes 6 may be used. May be used.

本発明に係る燃料電池によれば、白金の使用量を軽減してコストを削減することができ、且つ、アイオノマによる白金の被毒に起因する発電効率の低下を抑制することができるので、本発明は、車両、船舶、飛行機、携帯機器等の各種移動体に搭載される電源装置、ロボット等の自走可能なものに搭載される発電システムはもちろん、燃料電池を定置用として用いる商用及び家庭用のコージェネレーション(熱電併給)システム等の設備等にも広く利用することができる。   According to the fuel cell of the present invention, the amount of platinum used can be reduced to reduce the cost, and the decrease in power generation efficiency due to platinum poisoning by ionomer can be suppressed. The invention is not limited to a power supply device mounted on various moving bodies such as vehicles, ships, airplanes, and portable devices, and a power generation system mounted on a self-propelled device such as a robot, as well as commercial and household using a fuel cell for stationary use It can also be widely used for facilities such as cogeneration systems.

1…MEA、2…アノード側触媒層、3…カソード側触媒層、4…電解質膜、5a,5b…担持触媒、6…イオン伝導性固体電解質、7a…中実状カーボン担体、7b…中空状カーボン担体、8…アイオノマ、Pt…白金。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... MEA, 2 ... Anode side catalyst layer, 3 ... Cathode side catalyst layer, 4 ... Electrolyte membrane, 5a, 5b ... Supported catalyst, 6 ... Ion conductive solid electrolyte, 7a ... Solid carbon support, 7b ... Hollow carbon Carrier, 8 ... Ionoma, Pt ... Platinum.

Claims (1)

電解質膜、該電解質膜の一面に設けられたアノード、及び該電解質膜の他面に設けられたカソードを有する膜−電極アッセンブリを備える燃料電池であって、
前記アノードが、中実状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含み且つ前記電解質膜に対向配置されたアノード側触媒層を有し、
前記カソードが、中空状カーボン担体に白金が担持された担持触媒を含み且つ前記電解質膜に対向配置されたカソード側触媒層を有する、
燃料電池。
A fuel cell comprising an electrolyte membrane, an anode provided on one side of the electrolyte membrane, and a membrane-electrode assembly having a cathode provided on the other side of the electrolyte membrane,
The anode includes a supported catalyst in which platinum is supported on a solid carbon support and has an anode-side catalyst layer disposed opposite to the electrolyte membrane;
The cathode includes a supported catalyst in which platinum is supported on a hollow carbon support and has a cathode-side catalyst layer disposed opposite to the electrolyte membrane;
Fuel cell.
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