燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种可以抑制起动燃料电池时产生的反向电流引起的阴极中含有的碳材料被氧化或腐蚀的燃料电池。燃料电池（１０）具有平板状的单元（５０），在该单元（５０）的两侧设置有间隔件（３４）及间隔件（３６）。单元（５０）具有固体高分子电解质膜（２０）、阳极（２２）及阴极（２４）。阳极（２２）具有由催化剂层（２６）及气体扩散层（２８）构成的层叠体。同样，阴极（２４）具有由催化剂层（３０）及气体扩散层（３２）构成的层叠体。催化剂层（３０）含有发挥电偶极子层功能的形成有微细孔的多孔碳材料以及离子交换树脂。在多孔碳材料的至少一部分载持有铂等催化剂金属。作为多孔碳材料，可以优选使用碳化物来源的碳。碳化物来源的碳优选具有１ｎｍ以下的微细孔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池。
技术介绍
近年来，能量转换效率高而且在发电反应时不产生有害物质的燃料电池备受瞩目。作为这样的燃料电池之一，己知有在ioo"c以下的低温下作动的固体高分子形燃料电池。固体高分子形燃料电池是具有在燃料极与空气极之间配置作为电解 质膜的固体高分子膜的基本结构，向燃料极供给含有氢的燃料气体、向空 气极供给含有氧的氧化剂气体，利用以下电化学反应发电的装置。燃料极H2—2H+ + 2e— ... (1) 空气极l/202+2H++2e——H20 ... (2)阳极和阴极分别由层叠催化剂层和气体扩散层的结构构成。各电极的催化剂层夹持固体高分子膜而对向配置，构成燃料电池。催化剂层是载持有催化剂的碳粒子被离子交换树脂粘结而成的层。气体扩散层成为氧化剂 气体和燃料气体的通过路径。在阳极中，如所述式(O所示，在被供给的燃料中含有的氢被分解 成氢离子和电子。其中，氢离子在固体高分子电解质膜的内部向空气极移 动，电子通过外部电路向空气极移动。另一方面，在阴极中，在向阴极供 给的氧化剂气体中含有的氧与从燃料极移动的氢离子及电子反应，如所述 式(2)所示，产生水。这样，在外部电路中，由于电子从燃料极向空气 极移动，所以电力被取出(参照专利文献l)。专利文献1:特开2002 — 203569号公报如果停止燃料电池，停止向阳极供给燃料气体，则在阳极侧混入空气。 如果在这种状态下再起动燃料电池，则在燃料气体的浓度高的上游侧，质子经由电解质膜从阳极向阴极传导。另一方面，在由于混入空气而燃料气 体的浓度低的状态下的下游侧，在阴极中，进行下述式的反应，质子从阴极向阳极传导，流动反向电流(reverse current)。具体而言，如图1所示，在反应气体的上游侧，在夹持电解质膜6 的阳极2及阴极4中，与通常的电池反应相同，分别进行下述(3)、 (4) 式所示的反应。另一方面，在出口侧(下游侧)，在阳极2及阴极4中， 分别进行下述(5)、 (6)式所示的反应，发生反向电流。由于在出口侧的 阴极4发生的反应(6)式，进行在阴极4中使用的催化剂载持用的碳粒 子或离子交换树脂的氧化、腐蚀，引起电子性能的劣化、短寿命化。阳极H2—2H++2e— ... (3) 阴极02+4H++4e——2H20 ... (4)阳极02+4H++4e_—2H20 ... (5) 阴极C+2H20—C02+4H++4e_... (6)
技术实现思路
本专利技术正是鉴于这样的课题而提出的，其目的在于提供一种能够抑制 在起动燃料电池时产生的反向电流的技术。本专利技术的某种方式为燃料电池。该燃料电池的特征在于，具备电解 质膜，设置在电解质膜的一侧的阳极，设置在电解质膜的另一侧的阴极， 阴极含有发挥电偶极子层功能的形成有微细孔的多孔碳材料。这样，如图2所示，在反应气体的上游侧，在夹持电解质膜6的阳极 2及阴极4中，与通常的电池反应相同，分别进行下述(7)、 (8)式所示 的反应。另一方面，在下游侧，在阳极2中，尽管进行下述(9)式所示 的反应，但由于在阴极4侦U，在多孔碳材料8中，进行电偶极子层的充电, 所以所述(6)式的反应被妨碍，可以抑制催化剂载持用的碳粒子或离子 交换树脂的氧化、腐蚀等。上游侧阳极H2—H+ + 2e— ... (7)阴极..02 + 4H++4e_—2H20 ... (8) 下游侧阳极02+4H++4e——2H20 ... (9) 阴极电偶极子层的充电...(10)其中，在所述方式中，多孔碳材料也可以来源于碳化物。另外，碳化 物也可以从由碳化钛、碳化钼、碳化钨构成的组中选择。另外，多孔碳材 料的电偶极子层容量也可以为110F/g以上。另外，多孔碳材料的电偶极 子层容量相对电极面积，也可以为50mF/cr^以上。另外，也可以在多孔 碳材料中混合全氟有机酸。另外，也可以在多孔碳材料中混合质子一电子 混合传导体。另外，也可以在多孔碳材料上载持催化剂金属、催化剂金属 氧化物、催化剂金属碳化物的任意一种。另外，与反应气体流动的上游部 分的阴极中的多孔碳材料的含量相比，反应气体流动的下游部分的阴极中 的多孔碳材料的含量多。利用所述任意一种方式，在起动燃料电池时产生的反向电流被用于电 偶极子层的充电，所以可以抑制碳的氧化。此外，适当组合所述的各要素也可以被包括在利用本专利技术申请求得专 利保护的专利技术范围内。利用本专利技术，可以抑制起动燃料电池时的反向电流产生引起的碳材料 的氧化等损坏。附图说明图1是表示起动燃料电池时发生的反向电流的原理的图。 图2是表示抑制起动燃料电池时发生的反向电流的原理的图。 图3是模式性地表示实施方式1中的燃料电池的结构的立体图。 图4是图3的A—A线上的截面图。图中，IO —燃料电池，20—固体高分子电解质膜，22 —阳极，24 —阴 极，26、 30 —催化剂层，28、 32 —气体扩散层，34、 36—间隔件，50 —单元。具体实施方式以下参照附图说明本专利技术的实施方式。 (实施方式1)图3是模式性地表示实施方式1中的燃料电池10的结构的立体图。 图4是图3的A—A线上的截面图。燃料电池10具备平板状的单元50， 在该单元50的两侧设置间隔件34及间隔件36。在该例中，只显示了一 个单元50，也可以构成为借助间隔件34或间隔件36层叠多个单元50的 燃料电池10。单元50具有固体高分子电解质膜20、阳极22以及阴极24。 阳极22具有由催化剂层26及气体扩散层28构成的层叠体。同样，阴极 24具有由催化剂层30及气体扩散层32构成的层叠体。阳极22的催化剂 层26与阴极24的催化剂层30被设置成夹持固体高分子电解质膜20对置。在设置于阳极22侧的间隔件34设置有气体流道38。燃料气体由燃 料供给用的岐管(未图示)分配于气体流路38，经由气体流道38向单元 50供给燃料气体。同样，在设置于阴极24侧的间隔件36设置有气体流 道40。从氧化剂供给用的岐管(未图示)向气体流道40分配氧化剂气体， 经由气体流道40向单元50供给氧化剂气体。具体而言，在运转燃料电池 10时，燃料气体例如氢气在气体流道38内沿着气体扩散层28的表面， 从上方向下方流通，由此向阳极22供给燃料气体。另一方面，在运转燃 料电池10时，氧化剂气体例如空气在气体流道40内沿着气体扩散层32 的表面，从上方向下方流通，由此向阴极24供给氧化剂气体。这样，在 单元50内发生反应。如果借助气体扩散层28向催化剂层26供给氢气， 则气体中的氢成为质子，该质子在固体高分子电解质膜20中向阴极24侧 移动。此时放出的电子向外部电路移动，从外部电路向阴极24流入。另 一方面，如果借助气体扩散层32向催化剂层30供给空气，则氧与质子结 合成为水。结果，在外部电路中，电子从阳极22向阴极24流动，可以取 出电力。固体高分子电解质膜20在湿润状态下显示出良好的离子传导性，发 挥出作为使质子在阳极22及阴极24之间移动的离子交换膜的功能。固体 高分子电解质膜20由含氟聚合物或非氟聚合物等固体高分子材料形成， 例如可以使用磺酸型全氟碳聚合物、聚砜树脂、含有膦酸基或羧酸基的全 氟碳聚合物等。作为磺酸型全氟碳聚合物的例子，可以举出那氟恩(于7^本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其特征在于，　　　　具有：　　　　电解质膜，　　　　设置在所述电解质膜的一侧的阳极，　　　　设置在所述电解质膜的另一侧的阴极，　　　　所述阴极含有发挥电偶极子层功能的形成有微细孔的多孔碳材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：松冈孝司，坂本滋，
申请(专利权)人：三洋电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]