[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池。

背景技术

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，已知有在100℃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：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O  …(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(1)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1)。

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。

上游侧

阳极：H₂→2H⁺+2e^-  …(3)

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O  …(4)

下游侧

阳极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O  …(5)

阴极：C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-  …(6)

发明内容

本发明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。

本发明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侧，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：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O  …(8)

下游侧

阳极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O  …(9)

阴极：电偶极子层的充电…(10)