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公開番号2025085155
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-05
出願番号2023198832
出願日2023-11-24
発明の名称燃料電池及び燃料電池システム
出願人株式会社豊田中央研究所,トヨタ自動車株式会社
代理人個人,個人
主分類H01M 8/1004 20160101AFI20250529BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】低湿度環境における発電性能、及び/又は、高電位耐久性に優れた燃料電池及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池は、カソード触媒として、酸化スズ系粒子からなる第1担体の表面に第1触媒粒子が担持された第1電極触媒と、カーボン粒子からなる第2担体の表面に第2触媒粒子が担持された第2電極触媒とを含み、カソード流路の上流側領域に含まれる第1電極触媒の含有量は、カソード流路の下流側領域に含まれるそれより多い。燃料電池システムは、このような燃料電池と、燃料ガスを供給するためのアノードガス供給装置と、酸化剤ガスを供給するためのカソードガス供給装置と、アノード流路を空気でパージするためのパージ装置とを備えている。アノード流路及びカソード流路は、対向流構造又は平行流構造を備え、パージ装置は、燃料ガスとは反対方向又は同一方向に空気を供給する装置を備えている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
以下の構成を備えた燃料電池。
（１）前記燃料電池は、
電解質膜の両面にアノード触媒層及びカソード触媒層が接合された膜電極接合体と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層の外側に配置された、アノード流路を備えたアノードセパレータと、
前記カソード側ガス拡散層の外側に配置された、カソード流路を備えたカソードセパレータと
を備えている。
（２）前記カソード触媒層は、カソード触媒として、
酸化スズ系粒子からなる第１担体の表面に第１触媒粒子が担持された第１電極触媒と、
カーボン粒子からなる第２担体の表面に第２触媒粒子が担持された第２電極触媒と
を含み、
前記カソード流路の上流側領域に含まれる前記第１電極触媒の含有量は、前記カソード流路の下流側領域に含まれる前記第１電極触媒の含有量より多い。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記酸化スズ系粒子は、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｔａ、及び、Ｗからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素がドープされたＳｎＯ
2
からなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸化スズ系粒子は、一次粒子が数珠状に融着している構造（連珠状構造）を備えている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記酸化スズ系粒子は、比表面積が６０ｍ
2
／ｇ以上である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸化スズ系粒子は、細孔径が５ｎｍ以上８ｎｍ以下である細孔を持つ多孔質粒子である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カーボン粒子は、細孔径が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である細孔を持つ多孔質粒子である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池と、
前記燃料電池のアノード流路に燃料ガスを供給するアノードガス供給装置と、
前記燃料電池のカソード流路に酸化剤ガスを供給するカソードガス供給装置と、
前記燃料電池の停止時に前記アノード流路に空気を供給するパージ装置と
を備え、
前記アノード流路及び前記カソード流路は、対向流構造又は平行流構造を備え、
前記パージ装置は、前記燃料ガスとは反対方向又は同一方向に前記空気を供給する装置を備えている
燃料電池システム。
【請求項８】
以下の構成を備えた燃料電池システム。
（１）前記燃料電池システムは、
燃料電池と
前記燃料電池のアノード流路に燃料ガスを供給するアノードガス供給装置と、
前記燃料電池のカソード流路に酸化剤ガスを供給するカソードガス供給装置と、
前記燃料電池の停止時に前記アノード流路に空気を供給するパージ装置と
を備え、
前記アノード流路及び前記カソード流路は、対向流構造又は平行流構造を備え、
前記パージ装置は、前記燃料ガスとは反対方向又は同一方向に前記空気を供給する装置を備えている。
但し、前記アノード流路及び前記カソード流路が対向流構造を備え、かつ、前記パージ装置が前記燃料ガスとは反対方向に前記空気を供給する装置を備えているものを除く。
（２）前記燃料電池は、
電解質膜の両面にアノード触媒層及びカソード触媒層が接合された膜電極接合体と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層の外側に配置された、前記アノード流路を備えたアノードセパレータと、
前記カソード側ガス拡散層の外側に配置された、前記カソード流路を備えたカソードセパレータと
を備えている。
（３）前記カソード触媒層は、カソード触媒として、
酸化スズ系粒子からなる第１担体の表面に第１触媒粒子が担持された第１電極触媒と、
カーボン粒子からなる第２担体の表面に第２触媒粒子が担持された第２電極触媒と
を含み、
前記カソード流路の下流側領域に含まれる前記第１電極触媒の含有量は、前記カソード流路の上流側領域に含まれる前記第１電極触媒の含有量より多い。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、低湿度環境における発電性能、及び／又は、高電位耐久性に優れた燃料電池、並びに、このような燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒粒子を含む触媒層が接合された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）を備えている。触媒層の外側には、通常、ガス拡散層が配置される。さらに、ガス拡散層の外側には、ガス流路を備えたセパレータ（集電体ともいう）が配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなＭＥＡと、ガス拡散層と、集電体からなる単セルが複数個積層された構造（燃料電池スタック）を備えている。
【０００３】
触媒層は、一般に、担体表面に白金や白金合金などの触媒粒子が担持された電極触媒と、触媒層アイオノマとの混合物からなる。このような構造を備えた燃料電池のアノード及びカソードに燃料（例えば、水素）及び酸化剤（例えば、空気）を供給すると、電極反応が進行し、電力を得ることができる。
【０００４】
しかしながら、細長いカソード流路に空気を供給すると、電極反応の進行に伴い、下流側に行くほど酸素濃度が低下する。また、これと同時に、カソード流路の下流側に行くほど反応生成物である水蒸気の濃度が増加する。そのため、ガスの流れの方向に沿って均一な構造を備えた電極では、発電性能が低下する場合がある。
【０００５】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
触媒担持カーボンからなる触媒粒子と、平均繊維長が１μｍ以上１５μｍ以下の繊維状物質と、高分子電解質とを含む触媒層を備え、
ガスの出口側（第二の電極触媒部）におけるカーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が、ガスの入口側（第一の電極触媒部）におけるそれより大きい
燃料電池用膜電極接合体が開示されている。
【０００６】
同文献には、
（Ａ）カーボン粒子に対する繊維状物質の質量比が大きくなるほど、繊維状物質によって触媒層内に形成される細孔が増加し、水の除去が促進される点、及び、
（Ｂ）ガスの出口側における質量比をガスの入口側のそれより大きくすると、ガスの入口側では保水性が高くなるのに対し、ガスの出口側では水の除去が促進される点
が記載されている。
【０００７】
特許文献２には、
電解質膜の表面に触媒層を転写し、
転写された触媒層の内、ガスの入口側部分のみをさらに加圧又は加熱する
膜電極接合体の製造方法が開示されている。
【０００８】
同文献には、
（Ａ）触媒層の細孔容量が多くなるほど、水の除去が促進される点、
（Ｂ）触媒層の内、ガスの入口側部分のみ加圧又は加熱すると、ガスの入口側における細孔容量がガスの出口側のそれより小さくなる点、及び、
（Ｃ）これによって、ガスの入口側では保水性が高くなるのに対し、ガスの出口側では水の除去が促進される点、
が記載されている。
【０００９】
特許文献３には、
触媒担持粒子と、高分子電解質とを含む触媒層を備え、
ガスの入口側（第一の電極触媒部）に含まれる高分子電解質のイオン交換容量が、ガスの出口側（第二の電極触媒部）に含まれる高分子電解質のそれより大きい
燃料電池用膜電極接合体が開示されている。
【００１０】
同文献には、
（Ａ）触媒層に含まれる高分子電解質のイオン交換容量が大きくなるほど、保水性が高くなる点、及び、
（Ｂ）ガスの入口側における高分子電解質のイオン交換容量をガスの出口側のそれより大きくすると、ガスの入口側では保水性が高くなるのに対し、ガスの出口側では水の除去が促進される点
が記載されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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