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公開番号2022071293
公報種別公開特許公報(A)
公開日2022-05-16
出願番号2020180172
出願日2020-10-28
発明の名称燃料電池
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H01M 4/86 20060101AFI20220509BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】氷点下始動時の耐久性が高い燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池であって、前記燃料電池は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有し、前記カソード触媒層は、触媒を担持した触媒担持担体、及び、プロトン伝導性樹脂を含み、前記カソード触媒層中の前記触媒担持担体に対する、前記プロトン伝導性樹脂の質量比(I/C)が、0.95以上1.8以下であり、前記プロトン伝導性樹脂の当量重量比(EW)が、650以上であり、前記触媒担持担体の比表面積が1300m2/g以上であり、前記電解質膜の吸水率が70%以下であり、前記カソード触媒層の吸水率が、30%以上200%以下であることを特徴とする。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
燃料電池であって、
前記燃料電池は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有し、
前記カソード触媒層は、触媒を担持した触媒担持担体、及び、プロトン伝導性樹脂を含み、
前記カソード触媒層中の前記触媒担持担体に対する、前記プロトン伝導性樹脂の質量比(I/C)が、0.95以上1.8以下であり、
前記プロトン伝導性樹脂の当量重量比(EW)が、650以上であり、
前記触媒担持担体の比表面積が1300m

/g以上であり、
前記電解質膜の吸水率が70%以下であり、
前記カソード触媒層の吸水率が、30%以上200%以下であ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】
本開示は、燃料電池に関する。
続きを表示(約 2,500 文字)【背景技術】
【0002】
燃料電池(FC)は、1つの単セル又は複数の単セル(以下、セルと記載する場合がある)を積層した燃料電池スタック(以下、単にスタックと記載する場合がある)に、燃料ガスとしての水素(H

)と酸化剤ガスとしての酸素(O

)との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する2枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン(H

)伝導性を有する固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
【0003】
燃料電池車両(以下車両と記載する場合がある)に車載されて用いられる燃料電池に関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献1では、電解質膜と触媒層とのアイオノマの当量重量比と、触媒層の剥離強度とから、氷点下始動時の耐久性能向上を図る、という技術が記載されている。
【0004】
特許文献2では、燃料電池の電解質膜に接して配置される触媒電極層の耐久性の向上を図ることを目的とする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2009-259664号公報
特開2016-085839号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
セル内に水が残留している状態で燃料電池を氷点下環境で使用する場合、十分な乾燥処理を施さないと、残留した水が凍結する。セル内で水が凍結すると、氷晶成長に起因する応力がセル内の触媒層に付与され、触媒層が破損することがある。触媒層が破損すると、プロトンの伝導が阻害されて燃料電池の性能が低下する。そのため、燃料電池の性能低下を抑制するには、触媒層の機械的強度を増大させて触媒層の破損を抑制することが重要である。
燃料電池の氷点下始動を繰り返した際の触媒層の劣化は、(1)氷生成による触媒層へのストレスと(2)触媒層が氷生成による劣化に耐える耐久性(触媒層強度(剥離強度)、以下ストレングスと称する場合がある)に影響を与える。特許文献1では(2)のみ規定しており(1)は考慮されておらず、その結果電解質膜からの触媒層の剥離が生じやすくなり、燃料電池の氷点下始動時の耐久性が十分でない場合がある。
ここで(1)の氷生成に関わるパラメータとして、触媒層の吸水量が挙げられる。同じ湿度雰囲気下での吸水量が多いほど、氷点下冷却時に凍る水の量が多くなり触媒層へのストレスが大きく、電解質膜からの触媒層の剥離が生じやすくなると考えられる。
【0007】
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、氷点下始動時の耐久性が高い燃料電池を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の燃料電池は、燃料電池であって、
前記燃料電池は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有し、
前記カソード触媒層は、触媒を担持した触媒担持担体、及び、プロトン伝導性樹脂を含み、
前記カソード触媒層中の前記触媒担持担体に対する、前記プロトン伝導性樹脂の質量比(I/C)が、0.95以上1.8以下であり、
前記プロトン伝導性樹脂の当量重量比(EW)が、650以上であり、
前記触媒担持担体の比表面積が1300m

/g以上であり、
前記電解質膜の吸水率が70%以下であり、
前記カソード触媒層の吸水率が、30%以上200%以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本開示の燃料電池によれば、氷点下始動時の耐久性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1は本開示の燃料電池の一例を示す断面模式図である。
図2は、深さ4μmにおけるアイオノマAを含む触媒層又はアイオノマBを含む触媒層への水平荷重(N)に対する燃料電池の1回の始動あたりの触媒層抵抗変化率との関係を示す図である。
図3は、80℃,相対湿度(RH)80%の条件におけるカソード触媒層の吸水率に対する燃料電池の1回の始動あたりの触媒層抵抗変化率を示す図である。
図4は、比較例1の燃料電池の氷点下耐久試験後のカソードの断面画像である。
図5は、氷点下耐久試験における触媒層破壊のメカニズムの一例を示す図である。
図6は、電解質膜からのカソード触媒層の剥離率と燃料電池の1回の始動あたりの触媒層抵抗変化率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
(【0011】以降は省略されています)

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