[发明专利]固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别涉及将过氧化物分解催化剂固定化于载体而包含的燃料电池。

背景技术

近年来，随着笔记本电脑、手机、PDA等便携式电子设备的高功能化，这样的设备的耗电量不断增加。现在，这样的便携式电子设备的电源的主流为锂离子二次电池，但是其能量密度跟不上近年来的耗电量增加，成为便携式电子设备的高功能化的阻碍。

作为代替锂离子二次电池的高能量密度的下一代电源，固体高分子型燃料电池受到瞩目。固体高分子型燃料电池通过层叠多个单电池单元而构成。图1中示出单电池单元的典型结构。图1中，高分子电解质膜(离子交换膜)10从两侧被阳极用催化剂层20和阴极用催化剂层21所夹，而这些催化剂层20、21从两侧被阳极气体扩散层40和阴极气体扩散层41(气体扩散层也称为多孔质支承层、碳纤维集电层)所夹，这些气体扩散层40、41的外侧朝通过间隔物60、61形成的气体流路(燃料气体流路50、含氧气体流路51)开放。从流路50导入的燃料气体(H₂等)通过阳极气体扩散层40，到达阳极用催化剂层20。在这里，燃料气体通过如下所示的阳极反应放出电子的同时生成质子(H⁺)。该质子通过高分子电解质膜10，到达阴极用催化剂层21。在这里，质子通过如下所示的阴极反应接受电子而生成H₂O。下述为燃料气体为氢时的阳极反应和阴极反应。

阳极反应:H₂→2H⁺+2e^-

阴极反应:1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

作为燃料，有氢和硼氢化钠等含氢物质或者甲醇和乙醇等醇以及其它有机物质的燃料。其中，甲醇的体积能量密度高，呈液体而容易运送，所以适合于小型便携式设备用途。将甲醇作为燃料的情况下，通常在阴极使甲醇与水反应，向阳极供给甲醇水溶液。

实际的燃料电池中，除了上述的主反应之外，还发生副反应。其中代表性的反应为过氧化氢(H₂O₂)的生成。对于其生成的机理，并未被完全理解，所设想的机理如下。即，过氧化氢的生成是在阳极和阴极都可能发生的反应，例如在阴极，认为通过氧的不完全还原反应按照下式生成过氧化氢。

阴极副反应:O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O₂

此外，在阳极，认为气体中作为杂质或有意混合而存在的氧或者在阴极溶入电解质而扩散至阳极的氧参与反应，其反应式与上述的阴极副反应相同或以下式表示。

阳极副反应:2M-H+O^2-→2M+H₂O₂

在这里，M表示阴极所用的催化剂金属，M-H表示该催化剂金属吸附有氢的状态。通常催化剂金属采用铂(Pt)等贵金属。

接着，这些电极上产生的过氧化氢因从电极扩散等而游离，在电解质中移动。该过氧化氢为氧化力强的物质，氧化构成电解质的大多数有机物。其具体机理并不清楚，但大多数情况下，认为过氧化氢自由基化，生成的过氧化氢自由基成为氧化反应的直接的反应物质。即，通过如下所示的反应产生的自由基被认为从电解质的有机物夺取氢或切断其它键。自由基化的原因并不清楚，被认为与重金属离子的接触具有催化作用。除此之外，认为通过热、光等也会发生自由基化。

H₂O₂→2·OH或H₂O₂→·H+·OOH

为了防止电极层中生成的过氧化物导致的高分子电解质膜的劣化，提出多种技术方案。

专利文献1中，为了防止电极层中生成的过氧化物导致的高分子电解质膜的劣化，提出了使具有对过氧化物进行催化裂解的催化能力的过渡金属氧化物、特别是氧化锰、氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化铬、氧化铱或氧化铅分散掺入高分子电解质膜中而得的固体高分子电解质。

专利文献2中，为了提高固体高分子型燃料电池的含磺酸基的高分子电解质膜对过氧化氢或过氧化物自由基的耐受性，提出了向该高分子电解质膜中添加并混合难溶性铈化合物的微粒的固体高分子型燃料电池用电解质膜。

专利文献3中，为了提高对过氧化氢或过氧化物自由基的耐久性并提高电解质膜的机械强度，提出了将含铈离子或锰离子的高分子电解质膜用多孔质膜等加强的固体高分子型燃料电池用电解质膜。