JP2002324557A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Landscapes
- Catalysts (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子型燃料電池において、高分子電解
質とそれと界面を形成する物質（たとえば触媒）とのイ
オン伝導抵抗を低下させ、高い発電効率を得る。 【解決手段】 高分子電解質と界面を形成する物質（た
とえば、カーボンブラック粒子表面１に触媒活性を有す
る金属３を担持したもの）の表面をプラズマ照射や過酸
化水素または無機酸を含む水溶液への浸漬などによって
親水化し、高分子電解質のイオン伝導に寄与する部分
（たとえば、スルホン酸基の相２ａ）を配向させる。
質とそれと界面を形成する物質（たとえば触媒）とのイ
オン伝導抵抗を低下させ、高い発電効率を得る。 【解決手段】 高分子電解質と界面を形成する物質（た
とえば、カーボンブラック粒子表面１に触媒活性を有す
る金属３を担持したもの）の表面をプラズマ照射や過酸
化水素または無機酸を含む水溶液への浸漬などによって
親水化し、高分子電解質のイオン伝導に寄与する部分
（たとえば、スルホン酸基の相２ａ）を配向させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子型燃料電
池に関し、とりわけ総合エネルギー効率の高い固体高分
子型燃料電池に関する。
池に関し、とりわけ総合エネルギー効率の高い固体高分
子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、高い総合エネ
ルギー効率が得られる発電手段として現在改良が盛んに
進められている。その主要な構成要素は、アノード、カ
ソードの両電極と、ガス流路を形成するセパレータ板、
両極間を隔てる固体高分子電解質膜である。アノードの
触媒上で生成したプロトンは、固体高分子電解質膜中を
移動してカソードの触媒上に達し、酸素と反応する。し
たがって、両極間のイオン伝導抵抗は、電池性能に大き
く影響する。
ルギー効率が得られる発電手段として現在改良が盛んに
進められている。その主要な構成要素は、アノード、カ
ソードの両電極と、ガス流路を形成するセパレータ板、
両極間を隔てる固体高分子電解質膜である。アノードの
触媒上で生成したプロトンは、固体高分子電解質膜中を
移動してカソードの触媒上に達し、酸素と反応する。し
たがって、両極間のイオン伝導抵抗は、電池性能に大き
く影響する。
【０００３】燃料電池を形成するには、両電極の触媒と
固体高分子電解質膜をイオン伝導パスで接合する必要が
ある。そのために、高分子電解質の溶液と触媒粒子とを
混合し、塗布・乾燥して両者を結合させた触媒層を電極
に用いたり、電極の触媒と固体高分子電解質膜とを加熱
下でプレスするという手法が一般的に用いられていた。
固体高分子電解質膜をイオン伝導パスで接合する必要が
ある。そのために、高分子電解質の溶液と触媒粒子とを
混合し、塗布・乾燥して両者を結合させた触媒層を電極
に用いたり、電極の触媒と固体高分子電解質膜とを加熱
下でプレスするという手法が一般的に用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】イオン伝導を担う高分
子電解質には、一般に、パーフルオロ系主鎖にスルホン
酸基が導入されたポリマーが使用される。具体的な商品
としては、デュポン社製のナフィオン、旭硝子（株）製
のフレミオン、旭化成（株）製のアシプレックスなどが
使用される。パーフルオロ系の高分子電解質は、パーフ
ルオロ系主鎖とスルホン酸基をもつ側鎖からなり、図３
に示すように、高分子電解質２は、スルホン酸基の相２
ａとパーフルオロ主鎖の相２ｂとにミクロ相分離して、
スルホン酸基の相はクラスターを形成すると言われてい
る。イオン伝導に寄与するのは、スルホン酸基が集まっ
てクラスターを形成している部分である。
子電解質には、一般に、パーフルオロ系主鎖にスルホン
酸基が導入されたポリマーが使用される。具体的な商品
としては、デュポン社製のナフィオン、旭硝子（株）製
のフレミオン、旭化成（株）製のアシプレックスなどが
使用される。パーフルオロ系の高分子電解質は、パーフ
ルオロ系主鎖とスルホン酸基をもつ側鎖からなり、図３
に示すように、高分子電解質２は、スルホン酸基の相２
ａとパーフルオロ主鎖の相２ｂとにミクロ相分離して、
スルホン酸基の相はクラスターを形成すると言われてい
る。イオン伝導に寄与するのは、スルホン酸基が集まっ
てクラスターを形成している部分である。
【０００５】触媒反応では、触媒表面で効率良くイオン
のやりとりがなされることが必要である。したがって、
触媒表面にはイオン伝導に寄与するスルホン酸基が配向
している状態が望ましい。その状態を得るには、触媒表
面が親水性である必要がある。
のやりとりがなされることが必要である。したがって、
触媒表面にはイオン伝導に寄与するスルホン酸基が配向
している状態が望ましい。その状態を得るには、触媒表
面が親水性である必要がある。
【０００６】しかしながら、触媒は、カーボンブラック
粒子表面１に白金などの触媒活性を有する金属３が担持
されたものである。カーボンブラック粒子表面は、元来
疎水性であり、触媒活性を有する金属の表面も不純物な
どによって親水性の状態にない。したがって、特別な処
理を施さずに触媒粒子と高分子電解質の界面を形成する
と、スルホン酸基を触媒の表面に配向することができな
い。その結果、従来の方法では、界面でのイオン伝導抵
抗を低くすることが困難になっていた。
粒子表面１に白金などの触媒活性を有する金属３が担持
されたものである。カーボンブラック粒子表面は、元来
疎水性であり、触媒活性を有する金属の表面も不純物な
どによって親水性の状態にない。したがって、特別な処
理を施さずに触媒粒子と高分子電解質の界面を形成する
と、スルホン酸基を触媒の表面に配向することができな
い。その結果、従来の方法では、界面でのイオン伝導抵
抗を低くすることが困難になっていた。
【０００７】本発明は、以上のような問題点を解決する
ためになされたものであり、前述の固体高分子電解質の
配向状態を制御し、触媒表面のイオン伝導を容易にして
燃料電池の性能を向上することを目的とするものであ
る。
ためになされたものであり、前述の固体高分子電解質の
配向状態を制御し、触媒表面のイオン伝導を容易にして
燃料電池の性能を向上することを目的とするものであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、触媒表面に親
水化処理を施すことで、触媒表面にイオン伝導を担う親
水基（スルホン酸基）を配向させ、触媒表面と高分子電
解質との界面でのイオン伝導抵抗を低下させ、燃料電池
の性能を向上させるものである。
水化処理を施すことで、触媒表面にイオン伝導を担う親
水基（スルホン酸基）を配向させ、触媒表面と高分子電
解質との界面でのイオン伝導抵抗を低下させ、燃料電池
の性能を向上させるものである。
【０００９】すなわち、本発明の第１の燃料電池は、電
極間のイオン伝導が極性基を側鎖に有する高分子電解質
によって行われ、前記高分子電解質と界面を形成する物
質を有する固体高分子型燃料電池において、前記物質
が、表面が親水化された物質である固体高分子型燃料電
池に関する。
極間のイオン伝導が極性基を側鎖に有する高分子電解質
によって行われ、前記高分子電解質と界面を形成する物
質を有する固体高分子型燃料電池において、前記物質
が、表面が親水化された物質である固体高分子型燃料電
池に関する。
【００１０】本発明の第２の燃料電池は、第１の燃料電
池において、極性基がスルホン酸基である燃料電池に関
する。
池において、極性基がスルホン酸基である燃料電池に関
する。
【００１１】本発明の第３の燃料電池は、第１または第
２の燃料電池において、表面が親水化された物質が触媒
である燃料電池に関する。
２の燃料電池において、表面が親水化された物質が触媒
である燃料電池に関する。
【００１２】本発明の第４の燃料電池は、第３の燃料電
池において、触媒と高分子電解質が接合された燃料電池
に関する。
池において、触媒と高分子電解質が接合された燃料電池
に関する。
【００１３】本発明の第５の燃料電池は、第１〜第４の
燃料電池において、プラズマを照射することによって物
質の表面が親水化された請求項１、２、３または４記載
の燃料電池に関する。
燃料電池において、プラズマを照射することによって物
質の表面が親水化された請求項１、２、３または４記載
の燃料電池に関する。
【００１４】本発明の第６の燃料電池は、第１〜第５の
燃料電池において、過酸化水素および無機酸よりなる群
から選ばれた少なくとも１つを含む水溶液に浸漬するこ
とによって物質の表面が親水化された燃料電池に関す
る。
燃料電池において、過酸化水素および無機酸よりなる群
から選ばれた少なくとも１つを含む水溶液に浸漬するこ
とによって物質の表面が親水化された燃料電池に関す
る。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池では、高分子電
解質と界面を形成する物質は、表面が親水化されてお
り、高分子電解質との界面におけるイオン伝導抵抗が小
さく、高い発電効率を得ている。
解質と界面を形成する物質は、表面が親水化されてお
り、高分子電解質との界面におけるイオン伝導抵抗が小
さく、高い発電効率を得ている。
【００１６】高分子電解質と界面を形成する物質とは、
通常、触媒、拡散層などであり、とくに触媒の表面を親
水化することが、触媒の利用効率を高めることができる
点で好ましい。触媒としては、たとえば、カーボンブラ
ック粒子表面に白金やルテニウムなどの触媒活性を有す
る金属微粒子を担持したものなどがあげられる。
通常、触媒、拡散層などであり、とくに触媒の表面を親
水化することが、触媒の利用効率を高めることができる
点で好ましい。触媒としては、たとえば、カーボンブラ
ック粒子表面に白金やルテニウムなどの触媒活性を有す
る金属微粒子を担持したものなどがあげられる。
【００１７】カーボンブラック表面は、元来は、疎水性
である。また、触媒表面に担持された触媒金属も、表面
が汚染されて親水性の状態にない。触媒粒子が非常に水
に濡れにくいこともこのことを支持している。このよう
な表面には高分子電解質の親水基は配向しにくいため、
触媒表面を改質して親水性にすることが有効である。本
発明では、触媒表面を親水化することによって、図１に
示すように、高分子電解質のミクロ相分離したスルホン
酸基の相２ａを、触媒（カーボンブラック粒子表面１に
触媒活性を有する金属３を担持させたもの）の表面に配
向させることができる。
である。また、触媒表面に担持された触媒金属も、表面
が汚染されて親水性の状態にない。触媒粒子が非常に水
に濡れにくいこともこのことを支持している。このよう
な表面には高分子電解質の親水基は配向しにくいため、
触媒表面を改質して親水性にすることが有効である。本
発明では、触媒表面を親水化することによって、図１に
示すように、高分子電解質のミクロ相分離したスルホン
酸基の相２ａを、触媒（カーボンブラック粒子表面１に
触媒活性を有する金属３を担持させたもの）の表面に配
向させることができる。
【００１８】親水化処理には種々の方法があるが、処理
が容易であり、電池性能に悪影響を及ぼすような不純物
が混入しにくい方法として、プラズマ照射法があげられ
る。プラズマ照射された表面では、有機物などの不純物
が除去され、水酸基などの親水基が形成される。このよ
うな表面には、高分子電解質の親水基が配向する。
が容易であり、電池性能に悪影響を及ぼすような不純物
が混入しにくい方法として、プラズマ照射法があげられ
る。プラズマ照射された表面では、有機物などの不純物
が除去され、水酸基などの親水基が形成される。このよ
うな表面には、高分子電解質の親水基が配向する。
【００１９】プラズマ照射によって親水化表面を得る装
置としては、多くの種類があるが、簡便には常温常圧の
空気中で放電する、いわゆるコロナ放電処理装置を用い
ることができる。物質（たとえば、触媒粒子）の性状に
よっては物質が飛散しやすく、照射処理が困難であるこ
とがある。こういった場合には、あらかじめ少量の溶媒
で物質を僅かな湿潤状態にしてからプラズマ照射処理す
ることができる。照射中に物質を撹拌するとより均一な
処理が可能である。
置としては、多くの種類があるが、簡便には常温常圧の
空気中で放電する、いわゆるコロナ放電処理装置を用い
ることができる。物質（たとえば、触媒粒子）の性状に
よっては物質が飛散しやすく、照射処理が困難であるこ
とがある。こういった場合には、あらかじめ少量の溶媒
で物質を僅かな湿潤状態にしてからプラズマ照射処理す
ることができる。照射中に物質を撹拌するとより均一な
処理が可能である。
【００２０】プラズマ照射のほかに、過酸化水素、無機
酸からなる群より選ばれた少なくとも１つを含む水溶液
に物質を浸漬することによって、触媒表面から不純物を
除去し、触媒表面を親水化することができる。無機酸と
しては、硫酸、硝酸などがあげられる。
酸からなる群より選ばれた少なくとも１つを含む水溶液
に物質を浸漬することによって、触媒表面から不純物を
除去し、触媒表面を親水化することができる。無機酸と
しては、硫酸、硝酸などがあげられる。
【００２１】過酸化水素の濃度は、１〜７重量％が好ま
しい。過酸化水素の濃度が１重量％未満では親水化処理
効果が低い傾向があり、７重量％をこえると酸化力によ
ってカーボンブラックなどの物質が損傷を受ける傾向が
ある。過酸化水素濃度の上限は５重量％、下限は２重量
％であることがより好ましい。
しい。過酸化水素の濃度が１重量％未満では親水化処理
効果が低い傾向があり、７重量％をこえると酸化力によ
ってカーボンブラックなどの物質が損傷を受ける傾向が
ある。過酸化水素濃度の上限は５重量％、下限は２重量
％であることがより好ましい。
【００２２】無機酸の濃度は、１〜１２Ｎが好ましい。
無機酸の濃度が１Ｎ未満では親水化処理効果が低い傾向
があり、１２Ｎをこえると希釈時の発熱など、取扱い上
の問題が生じる傾向がある。無機酸の濃度は、５〜１２
Ｎであることがより好ましい。
無機酸の濃度が１Ｎ未満では親水化処理効果が低い傾向
があり、１２Ｎをこえると希釈時の発熱など、取扱い上
の問題が生じる傾向がある。無機酸の濃度は、５〜１２
Ｎであることがより好ましい。
【００２３】つぎに、表面を親水化させた触媒粒子を用
いて本発明の燃料電池を製造する方法の一例を、図２に
基づいて説明する。
いて本発明の燃料電池を製造する方法の一例を、図２に
基づいて説明する。
【００２４】表面を親水化した触媒粒子を、高分子電解
質溶液に分散させて触媒ペーストを調製する。このペー
ストを塗布・乾燥することで、燃料電池用触媒層を形成
する。
質溶液に分散させて触媒ペーストを調製する。このペー
ストを塗布・乾燥することで、燃料電池用触媒層を形成
する。
【００２５】カーボン多孔質板（カーボンペーパー４ａ
または５ａ）に前記の方法で触媒層４ｂまたは５ｂを形
成し、カソード４またはアノード５とする。両電極を高
分子電解質膜６と熱融着させて電極膜接合体を得る。こ
の電極膜接合体を、ガス流路溝８を設けたカーボンセパ
レータ板７で挟み、電池（セル）とする。
または５ａ）に前記の方法で触媒層４ｂまたは５ｂを形
成し、カソード４またはアノード５とする。両電極を高
分子電解質膜６と熱融着させて電極膜接合体を得る。こ
の電極膜接合体を、ガス流路溝８を設けたカーボンセパ
レータ板７で挟み、電池（セル）とする。
【００２６】このようにして製造したセルの両極に、酸
素ガス、水素ガスをそれぞれ供給し、たとえばセル温度
８０℃で運転すると、発電が可能である。このときの両
極間電圧は、親水化処理を行なわない場合に比較して、
より高い値を示す。これは、触媒表面でのイオン伝導性
が向上することにより、触媒利用率がより向上したため
であると考えられる。また両極間の抵抗を測定すると、
親水化処理を行なわない場合に比較して、低い抵抗を示
した。
素ガス、水素ガスをそれぞれ供給し、たとえばセル温度
８０℃で運転すると、発電が可能である。このときの両
極間電圧は、親水化処理を行なわない場合に比較して、
より高い値を示す。これは、触媒表面でのイオン伝導性
が向上することにより、触媒利用率がより向上したため
であると考えられる。また両極間の抵抗を測定すると、
親水化処理を行なわない場合に比較して、低い抵抗を示
した。
【００２７】
【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいてより具体
的に説明する。
的に説明する。
【００２８】実施例１ カーボンブラック（アセチレンブラック）上に白金を担
持したカソード用触媒に対して、常圧大気中でプラズマ
照射処理を行なった。この触媒粒子にパーフルオロ系高
分子電解質９重量％溶液（旭硝子（株）製フレミオン）
１重量部、水１重量部を添加し、攪拌混合して均一な状
態のペーストを得た。この触媒ペーストをカーボンペー
パー上にスクリーン印刷して触媒層を形成した。この触
媒層を形成したカーボンペーパーを５０ｍｍ角に切り抜
き、カソードとした。
持したカソード用触媒に対して、常圧大気中でプラズマ
照射処理を行なった。この触媒粒子にパーフルオロ系高
分子電解質９重量％溶液（旭硝子（株）製フレミオン）
１重量部、水１重量部を添加し、攪拌混合して均一な状
態のペーストを得た。この触媒ペーストをカーボンペー
パー上にスクリーン印刷して触媒層を形成した。この触
媒層を形成したカーボンペーパーを５０ｍｍ角に切り抜
き、カソードとした。
【００２９】カーボンブラック（アセチレンブラック）
上に白金とルテニウムを担持したアノード用触媒１重量
部に対して、０．３重量部の水を添加し、攪拌混合して
湿潤粉体とした。この湿潤粉体１．５ｇをガラス板上に
展開し、常圧大気中でプラズマ照射処理を行なった。プ
ラズマ照射処理装置としては、キーエンス（株）製の大
気中プラズマ照射装置ＳＴ−７０００を用いた。照射距
離を１２ｍｍとし、照射レベルＨｉｇｈで照射した。照
射は、一回あたり１秒で５回の計５秒間行なった。１回
の照射ごとに湿潤粉体を攪拌した。照射時間として２秒
未満では粒子全体を均一に処理することが困難であり、
照射処理による性能向上が小さい。また、５秒をこえて
照射しても、それ以上に性能は向上しない。
上に白金とルテニウムを担持したアノード用触媒１重量
部に対して、０．３重量部の水を添加し、攪拌混合して
湿潤粉体とした。この湿潤粉体１．５ｇをガラス板上に
展開し、常圧大気中でプラズマ照射処理を行なった。プ
ラズマ照射処理装置としては、キーエンス（株）製の大
気中プラズマ照射装置ＳＴ−７０００を用いた。照射距
離を１２ｍｍとし、照射レベルＨｉｇｈで照射した。照
射は、一回あたり１秒で５回の計５秒間行なった。１回
の照射ごとに湿潤粉体を攪拌した。照射時間として２秒
未満では粒子全体を均一に処理することが困難であり、
照射処理による性能向上が小さい。また、５秒をこえて
照射しても、それ以上に性能は向上しない。
【００３０】この触媒粒子１重量部に対してパーフルオ
ロ系高分子電解質９重量％溶液（旭硝子（株）製フレミ
オン）２重量部、水１重量部を添加し、攪拌混合して均
一な状態のペーストを得た。この触媒ペーストをカーボ
ンペーパー上にスクリーン印刷してアノード触媒層を形
成した。この触媒層を形成したカーボンペーパーを５０
ｍｍ角に切り抜き、アノードとした。
ロ系高分子電解質９重量％溶液（旭硝子（株）製フレミ
オン）２重量部、水１重量部を添加し、攪拌混合して均
一な状態のペーストを得た。この触媒ペーストをカーボ
ンペーパー上にスクリーン印刷してアノード触媒層を形
成した。この触媒層を形成したカーボンペーパーを５０
ｍｍ角に切り抜き、アノードとした。
【００３１】このようにして作製したカソードとアノー
ドで、厚さ５０μｍの高分子電解質膜（旭化成（株）製
ａｃｉｐｌｅｘ膜）を挟み込み、１６０℃で２分間、ホ
ットプレスしてＭＥＡ（電極膜接合体）を形成した。
ドで、厚さ５０μｍの高分子電解質膜（旭化成（株）製
ａｃｉｐｌｅｘ膜）を挟み込み、１６０℃で２分間、ホ
ットプレスしてＭＥＡ（電極膜接合体）を形成した。
【００３２】このＭＥＡを、ガス流路溝を設けたカーボ
ン板で挟み、セルとした。このセルにアノード側には水
素ガスをガス利用率が７０％となるように、カソード側
には常圧の空気を利用率が４０％となるように、流量を
調節して供給した。両方のガスを露点７５℃になるよう
に加湿して供給した。またセルの温度は８０℃になるよ
うに調節した。このセルを電流密度４００ｍＡ／ｃｍ2
で運転し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定
したところ、６９４ｍＶであった。また両極間の抵抗を
測定したところ、３．６ｍΩであった。
ン板で挟み、セルとした。このセルにアノード側には水
素ガスをガス利用率が７０％となるように、カソード側
には常圧の空気を利用率が４０％となるように、流量を
調節して供給した。両方のガスを露点７５℃になるよう
に加湿して供給した。またセルの温度は８０℃になるよ
うに調節した。このセルを電流密度４００ｍＡ／ｃｍ2
で運転し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定
したところ、６９４ｍＶであった。また両極間の抵抗を
測定したところ、３．６ｍΩであった。
【００３３】本実施例では、アノード、カソード両極と
も高分子電解質との界面が親水化されているために、イ
オン伝導抵抗が低下し、したがって、以下の比較例１に
記載したような親水化を行なわない場合に比較して、よ
り高い電圧が得られた。
も高分子電解質との界面が親水化されているために、イ
オン伝導抵抗が低下し、したがって、以下の比較例１に
記載したような親水化を行なわない場合に比較して、よ
り高い電圧が得られた。
【００３４】実施例２ アノード触媒の親水化処理を行なわなかったほかは、実
施例１と同様に電極、セルの作製を行なった。ただし、
カソード触媒については実施例１と同様に親水化処理を
施した。
施例１と同様に電極、セルの作製を行なった。ただし、
カソード触媒については実施例１と同様に親水化処理を
施した。
【００３５】このセルを実施例１と同様の条件で運転
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６８９ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．７ｍΩであった。
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６８９ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．７ｍΩであった。
【００３６】本実施例では、カソード触媒表面が親水化
されているためにイオン伝導抵抗が低下し、したがっ
て、以下の比較例１に記載したような親水化を行なわな
い場合に比較して、より高い電圧が得られた。
されているためにイオン伝導抵抗が低下し、したがっ
て、以下の比較例１に記載したような親水化を行なわな
い場合に比較して、より高い電圧が得られた。
【００３７】実施例３ カソード触媒の親水化処理を行なわなかったほかは、実
施例１と同様に電極、セルの作製を行なった。ただし、
アノード触媒については実施例１と同様に親水化処理を
施した。
施例１と同様に電極、セルの作製を行なった。ただし、
アノード触媒については実施例１と同様に親水化処理を
施した。
【００３８】このセルを実施例１と同様の条件で運転
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６８６ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．８ｍΩであった。
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６８６ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．８ｍΩであった。
【００３９】本実施例では、アノード触媒表面が親水化
されているためにイオン伝導抵抗が低下し、したがっ
て、以下の比較例１に記載したような親水化を行なわな
い場合に比較して、より高い電圧が得られた。
されているためにイオン伝導抵抗が低下し、したがっ
て、以下の比較例１に記載したような親水化を行なわな
い場合に比較して、より高い電圧が得られた。
【００４０】実施例４ 両極の触媒粒子を、プラズマ照射による親水化処理のか
わりに、それぞれ３重量％の過酸化水素水を含む１２Ｎ
の硫酸で洗浄・乾燥したほかは、実施例１と同様にセル
の作製を行なった。
わりに、それぞれ３重量％の過酸化水素水を含む１２Ｎ
の硫酸で洗浄・乾燥したほかは、実施例１と同様にセル
の作製を行なった。
【００４１】このセルを実施例１と同様の条件で運転
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６８６ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．８ｍΩであった。
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６８６ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．８ｍΩであった。
【００４２】本実施例では、アノード、カソード両極と
も高分子電解質との界面が親水化されているために、イ
オン伝導抵抗が低下し、したがって、以下の比較例１に
記載したような親水化を行なわない場合に比較して、よ
り高い電圧が得られた。
も高分子電解質との界面が親水化されているために、イ
オン伝導抵抗が低下し、したがって、以下の比較例１に
記載したような親水化を行なわない場合に比較して、よ
り高い電圧が得られた。
【００４３】比較例１ アノード、カソードそれぞれの触媒粒子に対してプラズ
マ照射親水化処理を行なわなかったほかは、実施例１と
同様に電極作製、セル作製を行なった。
マ照射親水化処理を行なわなかったほかは、実施例１と
同様に電極作製、セル作製を行なった。
【００４４】このセルを実施例１と同様の条件で運転
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６７９ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．９ｍΩであった。
し、始動から２４時間経過時点の出力電圧を測定したと
ころ、６７９ｍＶであった。また両極間の抵抗を測定し
たところ、３．９ｍΩであった。
【００４５】
【発明の効果】本発明の第１および第２の燃料電池によ
れば、高分子電解質と界面を形成する物質の表面が親水
化されているため、物質の表面に高分子電解質の極性基
が配向し、物質表面にイオンチャンネルが形成されて、
物質と高分子電解質との界面でのイオン伝導抵抗が低下
し、高い発電効率を得ることができる。
れば、高分子電解質と界面を形成する物質の表面が親水
化されているため、物質の表面に高分子電解質の極性基
が配向し、物質表面にイオンチャンネルが形成されて、
物質と高分子電解質との界面でのイオン伝導抵抗が低下
し、高い発電効率を得ることができる。
【００４６】本発明の第３および第４の燃料電池によれ
ば、表面が親水化された触媒を用いているため、触媒の
表面に高分子電解質の極性基が配向し、触媒表面にイオ
ンチャンネルが形成されて、触媒−高分子電解質間のイ
オン伝導抵抗が低くなって触媒利用率が向上し、その結
果、高い発電効率を得ることができる。
ば、表面が親水化された触媒を用いているため、触媒の
表面に高分子電解質の極性基が配向し、触媒表面にイオ
ンチャンネルが形成されて、触媒−高分子電解質間のイ
オン伝導抵抗が低くなって触媒利用率が向上し、その結
果、高い発電効率を得ることができる。
【００４７】本発明の第５の燃料電池によれば、高分子
電解質と界面を形成する物質にプラズマを照射すること
で、物質表面の不純物を除去し、さらに物質表面にＯＨ
基などの親水性をもたらす極性基を短時間で形成するこ
とができ、物質と高分子電解質との界面でのイオン伝導
抵抗が低下して、高い発電効率を得ることができる。
電解質と界面を形成する物質にプラズマを照射すること
で、物質表面の不純物を除去し、さらに物質表面にＯＨ
基などの親水性をもたらす極性基を短時間で形成するこ
とができ、物質と高分子電解質との界面でのイオン伝導
抵抗が低下して、高い発電効率を得ることができる。
【００４８】本発明の第６の燃料電池によれば、高分子
電解質と界面を形成する物質を、過酸化水素および無機
酸からなる群より選ばれた少なくとも１つを含む水溶液
に浸漬することで、物質表面の不純物を除去し、さらに
物質表面にＯＨ基などの親水性をもたらす極性基を短時
間で形成することができ、物質と高分子電解質との界面
でのイオン伝導抵抗が低下して、高い発電効率を得るこ
とができる。
電解質と界面を形成する物質を、過酸化水素および無機
酸からなる群より選ばれた少なくとも１つを含む水溶液
に浸漬することで、物質表面の不純物を除去し、さらに
物質表面にＯＨ基などの親水性をもたらす極性基を短時
間で形成することができ、物質と高分子電解質との界面
でのイオン伝導抵抗が低下して、高い発電効率を得るこ
とができる。
【図１】 本発明の固体高分子型燃料電池における触媒
と高分子電解質との界面を示す図である。
と高分子電解質との界面を示す図である。
【図２】 本発明の固体高分子型燃料電池の断面図であ
る。
る。
【図３】 従来の固体高分子型燃料電池における触媒と
高分子電解質との界面を示す図である。
高分子電解質との界面を示す図である。
１ カーボンブラック粒子表面、２ 高分子電解質、２
ａ スルホン酸基の相、２ｂ パーフルオロ主鎖の相、
３ 触媒活性を有する金属、４ カソード、４ａ カー
ボンペーパー、４ｂ 触媒層、５ アノード、５ａ カ
ーボンペーパー、５ｂ 触媒層、６ 高分子電解質膜、
７ カーボン板、８ ガス流路溝。
ａ スルホン酸基の相、２ｂ パーフルオロ主鎖の相、
３ 触媒活性を有する金属、４ カソード、４ａ カー
ボンペーパー、４ｂ 触媒層、５ アノード、５ａ カ
ーボンペーパー、５ｂ 触媒層、６ 高分子電解質膜、
７ カーボン板、８ ガス流路溝。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 4/86 Ｈ０１Ｍ 4/86 Ｚ 4/88 4/88 Ｚ 8/10 8/10 (72)発明者 福本 久敏 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 前田 秀雄 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 藏田 哲之 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G069 AA03 AA08 BA08B BA23B BC75B CC32 DA06 EA08 FA03 FB23 FB58 5H018 AA06 AS01 BB06 BB07 BB08 BB12 BB13 DD08 EE03 EE08 EE18 5H026 AA06 BB02 BB03 CC03 CX05 EE18
Claims (6)
- 【請求項１】 電極間のイオン伝導が極性基を側鎖に有
する高分子電解質によって行われ、前記高分子電解質と
界面を形成する物質を有する固体高分子型燃料電池にお
いて、前記物質が、表面が親水化された物質である固体
高分子型燃料電池。 - 【請求項２】 極性基がスルホン酸基である請求項１記
載の燃料電池。 - 【請求項３】 表面が親水化された物質が触媒である請
求項１または２記載の燃料電池。 - 【請求項４】 触媒と高分子電解質が接合された請求項
３記載の燃料電池。 - 【請求項５】 プラズマを照射することによって物質の
表面が親水化された請求項１、２、３または４記載の燃
料電池。 - 【請求項６】 過酸化水素および無機酸よりなる群から
選ばれた少なくとも１つを含む水溶液に浸漬することに
よって物質の表面が親水化された請求項１、２、３また
は４記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001131260A JP2002324557A (ja) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001131260A JP2002324557A (ja) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002324557A true JP2002324557A (ja) | 2002-11-08 |
Family
ID=18979477
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001131260A Withdrawn JP2002324557A (ja) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002324557A (ja) |
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-
2001
- 2001-04-27 JP JP2001131260A patent/JP2002324557A/ja not_active Withdrawn
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