JP2003123786A - 直接メタノール形燃料電池用膜／電極接合体 - Google Patents
直接メタノール形燃料電池用膜／電極接合体Info
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-
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- 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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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】直接メタノール形燃料電池の高出力化に寄与で
きる膜／電極接合体を得る。 【解決手段】プロトン導電性固体高分子膜からなる電解
質膜を介して負極と正極とを接合し、前記負極に燃料と
してのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有す
る負極側セパレータが設けられ、前記正極に酸化剤ガス
としての空気を供給するための流路溝を有する正極側セ
パレータが設けられた直接メタノール形燃料電池用膜／
電極接合体であって、少なくとも前記負極または正極の
一方の、電解質膜との接合界面に凹凸を設けてなる。
きる膜／電極接合体を得る。 【解決手段】プロトン導電性固体高分子膜からなる電解
質膜を介して負極と正極とを接合し、前記負極に燃料と
してのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有す
る負極側セパレータが設けられ、前記正極に酸化剤ガス
としての空気を供給するための流路溝を有する正極側セ
パレータが設けられた直接メタノール形燃料電池用膜／
電極接合体であって、少なくとも前記負極または正極の
一方の、電解質膜との接合界面に凹凸を設けてなる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は直接メタノール形燃
料電池用膜／電極接合体に関するもので、さらに詳しく
言えば、電解質膜にプロトン導電性固体高分子膜を用
い、燃料にメタノール水溶液を、酸化剤ガスに空気を供
給して発電する直接メタノール形燃料電池用膜／電極接
合体に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】直接メタノール形燃料電池は、燃料とし
てのメタノール水溶液を、液体のまま直接供給すること
によって発電できるという特徴を持っているため、燃料
をガス化または改質して供給する、従来からの固体高分
子型燃料電池と比べて、構造がシンプルで、小型化、軽
量化が容易であり、分散型電源、ポータブル電源として
の用途が注目されている。 【０００３】このような直接メタノール形燃料電池は、
電解質膜にプロトン導電性固体高分子膜を用い、この電
解質膜を介して、拡散層となるカーボンペーパー上に触
媒を塗布してなる負極と正極を接合し、前記負極には燃
料としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を
有する負極側セパレータが設けられ、前記正極には酸化
剤ガスとして空気を供給するための流路溝を有する正極
側セパレータが設けられた構造であり、負極にメタノー
ル水溶液を供給し、正極に空気を供給すると、負極では
メタノールと水との酸化反応によって炭酸ガスが生成す
るとともに水素イオンと電子を放出し、正極では電解質
膜を通過してきた前記水素イオンと空気との還元反応に
よって水が生成して、外部回路に電気エネルギーを得る
ことができる。 【０００４】上記した直接メタノール形燃料電池は、作
製された膜／電極接合体によって、その電池特性が支配
される。すなわち、この電池の負極における酸化反応
と、正極における還元反応は負極および正極に含まれる
触媒と電解質膜の界面で進行するため、触媒と電解質膜
を均一に接合すれば高出力を得ることができる。 【０００５】そのため、プロトン導電性固体高分子膜か
らなる電解質膜を負極と正極で挟持し、これを約１５０
℃の加熱下で電解質膜を軟化させながら、１００ｋｇ／
ｃｍ 2程度の圧力を加えて負極および正極中の触媒が電
解質膜の界面に均一に接合され、電解質膜と触媒が剥離
しないようにしている。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に高い圧力で加圧すると、負極および正極中の触媒を電
解質膜の界面に均一に接合することはできるが、負極お
よび正極の触媒を塗布した拡散層自体も加圧されること
によって気孔率が減少し、メタノールや空気が拡散しに
くくなって出力が低下するという問題があった。 【０００７】また、こうして得られた膜／電極接合体
は、拡散層の強度が低く、局部的にひび割れが生じた
り、破損することがあって耐久性に欠けるという問題が
あった。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は上記のような課
題を解決することを目的とし、加圧時の圧力を上げるこ
となく、電解質膜と負極および正極中の触媒とを均一に
接合し、かつメタノールや空気の拡散性にすぐれた膜／
電極接合体を提供することにある。すなわち、請求項１
記載の発明は、プロトン導電性固体高分子膜からなる電
解質膜を介して負極と正極とを接合し、前記負極に燃料
としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有
する負極側セパレータが設けられ、前記正極に酸化剤ガ
スとしての空気を供給するための流路溝を有する正極側
セパレータが設けられた直接メタノール形燃料電池用膜
／電極接合体であって、少なくとも前記負極または正極
の一方の、電解質膜との接合界面に凹凸を設けたことを
特徴とするものである。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、本発明を、その実施の形態
に基づいて説明する。 【００１０】本発明は、プロトン導電性固体高分子膜か
らなる電解質膜を介して接合された膜／電極接合体の、
負極および正極と電解質膜との接合界面に凹凸を設けた
ことを特徴とするものであり、この凹凸は負極および正
極と電解質膜との接合界面をサンドペーパーなどによっ
て切削すること等によって設けている。 【００１１】従って、低い圧力で加圧して負極および正
極と電解質膜とを接合しても、接合界面において、負極
および正極中の触媒と電解質膜とが均一に接合でき、す
ぐれたメタノール、空気の拡散性を有する膜／電極接合
体を得ることができる。 【００１２】 【実施例】（実施例）プロトン導電性固体高分子膜の両
面を８００番のサンドペーパーで磨いて凹凸を設けた
後、これを蒸留水で十分洗浄した後、５％の過酸化水素
水中に浸漬して３０分間熱処理したものを、１モルの硫
酸で加熱処理し、４回程蒸留水で洗浄して電解質膜とす
る。一方、白金とルテニウムを触媒成分として含有する
アノード触媒粉末、白金を触媒成分として含有するカソ
ード触媒粉末を、それぞれ蒸留水、６０％のポリテトラ
フロロエチレン溶液（三井デュポンフロロケミカル社
製）および５ｗｔ％のナフィオン溶液（アルドリッチ社
製）中に混合してペースト化し、これをあらかじめ撥水
処理した拡散層に塗布して負極および正極を得、これら
によって上記した電解質膜を挟持し、圧力６０ｋｇ／ｃ
ｍ2、温度１４６℃、時間３分間の条件下で加圧して接
合することにより、実施例に係る膜／電極接合体とし
た。 【００１３】（比較例1）上記した実施例に係る膜／電
極接合体に対し、比較例１に係る膜／電極接合体を、以
下の方法によって得た。 【００１４】凹凸を設けないプロトン導電性固体高分子
膜を、５％の過酸化水素水中に浸漬して３０分間熱処理
したものを、１モルの硫酸で加熱処理し、４回程蒸留水
で洗浄して電解質膜とする。一方、白金とルテニウムを
触媒成分として含有するアノード触媒粉末、白金を触媒
成分として含有するカソード触媒粉末を、それぞれ蒸留
水、６０％のポリテトラフロロエチレン溶液（三井デュ
ポンフロロケミカル社製）および５ｗｔ％のナフィオン
溶液（アルドリッチ社製）中に混合してペースト化し、
これをあらかじめ撥水処理した拡散層に塗布して負極お
よび正極を得、これらによって上記した電解質膜を挟持
し、圧力１００ｋｇ／ｃｍ2、温度１４６℃、時間３分
間の条件下で加圧して接合することにより、比較例１に
係る膜／電極接合体とした。 【００１５】（比較例２）比較例１で得た負極および正
極によって電解質膜を挟持し、圧力６０ｋｇ／ｃｍ2、
温度１４６℃、時間３分間の条件下で加圧して接合する
ことにより、比較例２に係る膜／電極接合体とした。 【００１６】（実験１）上記した実施例および比較例
１，２に係る膜／電極接合体を用いて直接メタノール形
燃料電池の単電池を組み立て、温度を９０℃、大気圧下
における燃料の流速を６ｍｌ／分、空気の流速を１００
０ｍｌ／分とした条件で負極側に１モルのメタノール水
溶液を、正極側に空気を供給し、電流―電圧特性を測定
し、結果を図１に示す。 【００１７】図１から明らかなように、本発明の膜／電
極接合体は従来の膜／電極接合体に比べて、電流―電圧
特性が良好であることがわかる。 【００１８】（実験２）上記した実施例および比較例
１，２に係る膜／電極接合体の負極と正極との間に、電
圧が０．１Ｖ、周波数が１ｋＨｚの交流を加え、温度が
９０℃の条件下における直接メタノール形燃料電池の交
流抵抗を測定したところ、本発明に係る膜／電極接合体
は０．１５Ω・ｃｍ2、比較例１に係る膜／電極接合体
は０．１６Ω・ｃｍ2であり、比較例２に係る膜／電極
接合体は０．３０Ω・ｃｍ2であった。 【００１９】このことから、実施例および比較例１に係
る膜／電極接合体は、電解質膜と負極および正極の触媒
との接合界面が均一にできたのに対し、比較例２に係る
膜／電極接合体は、電解質膜と負極および正極の触媒と
の接合界面が均一にできなかったことがわかる。 【００２０】すなわち、実施例に係る膜／電極接合体
は、比較例1のような高い圧力を加えなくても、それと
同程度の交流抵抗を得ることができることがわかる。 【００２１】なお、上記した実施例では、凹凸を設ける
のに、８００番のサンドペーパーを使用したが、これよ
り粗なものであれば膜面を傷付けてしまうので、これよ
り密なものを用いるのがよい。 【００２２】 【発明の効果】本発明によれば、膜／電極接合体を製造
する際、加える圧力を低くしても、負極および正極の触
媒と電解質膜とを均一に接合することができ、メタノー
ルや空気の拡散性に優れた膜／電極接合体を得るのに寄
与することができる。 【００２３】また、本発明の膜／電極接合体を直接メタ
ノール形燃料電池用いると、その高出力化に寄与するこ
とができる。
料電池用膜／電極接合体に関するもので、さらに詳しく
言えば、電解質膜にプロトン導電性固体高分子膜を用
い、燃料にメタノール水溶液を、酸化剤ガスに空気を供
給して発電する直接メタノール形燃料電池用膜／電極接
合体に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】直接メタノール形燃料電池は、燃料とし
てのメタノール水溶液を、液体のまま直接供給すること
によって発電できるという特徴を持っているため、燃料
をガス化または改質して供給する、従来からの固体高分
子型燃料電池と比べて、構造がシンプルで、小型化、軽
量化が容易であり、分散型電源、ポータブル電源として
の用途が注目されている。 【０００３】このような直接メタノール形燃料電池は、
電解質膜にプロトン導電性固体高分子膜を用い、この電
解質膜を介して、拡散層となるカーボンペーパー上に触
媒を塗布してなる負極と正極を接合し、前記負極には燃
料としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を
有する負極側セパレータが設けられ、前記正極には酸化
剤ガスとして空気を供給するための流路溝を有する正極
側セパレータが設けられた構造であり、負極にメタノー
ル水溶液を供給し、正極に空気を供給すると、負極では
メタノールと水との酸化反応によって炭酸ガスが生成す
るとともに水素イオンと電子を放出し、正極では電解質
膜を通過してきた前記水素イオンと空気との還元反応に
よって水が生成して、外部回路に電気エネルギーを得る
ことができる。 【０００４】上記した直接メタノール形燃料電池は、作
製された膜／電極接合体によって、その電池特性が支配
される。すなわち、この電池の負極における酸化反応
と、正極における還元反応は負極および正極に含まれる
触媒と電解質膜の界面で進行するため、触媒と電解質膜
を均一に接合すれば高出力を得ることができる。 【０００５】そのため、プロトン導電性固体高分子膜か
らなる電解質膜を負極と正極で挟持し、これを約１５０
℃の加熱下で電解質膜を軟化させながら、１００ｋｇ／
ｃｍ 2程度の圧力を加えて負極および正極中の触媒が電
解質膜の界面に均一に接合され、電解質膜と触媒が剥離
しないようにしている。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に高い圧力で加圧すると、負極および正極中の触媒を電
解質膜の界面に均一に接合することはできるが、負極お
よび正極の触媒を塗布した拡散層自体も加圧されること
によって気孔率が減少し、メタノールや空気が拡散しに
くくなって出力が低下するという問題があった。 【０００７】また、こうして得られた膜／電極接合体
は、拡散層の強度が低く、局部的にひび割れが生じた
り、破損することがあって耐久性に欠けるという問題が
あった。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は上記のような課
題を解決することを目的とし、加圧時の圧力を上げるこ
となく、電解質膜と負極および正極中の触媒とを均一に
接合し、かつメタノールや空気の拡散性にすぐれた膜／
電極接合体を提供することにある。すなわち、請求項１
記載の発明は、プロトン導電性固体高分子膜からなる電
解質膜を介して負極と正極とを接合し、前記負極に燃料
としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有
する負極側セパレータが設けられ、前記正極に酸化剤ガ
スとしての空気を供給するための流路溝を有する正極側
セパレータが設けられた直接メタノール形燃料電池用膜
／電極接合体であって、少なくとも前記負極または正極
の一方の、電解質膜との接合界面に凹凸を設けたことを
特徴とするものである。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、本発明を、その実施の形態
に基づいて説明する。 【００１０】本発明は、プロトン導電性固体高分子膜か
らなる電解質膜を介して接合された膜／電極接合体の、
負極および正極と電解質膜との接合界面に凹凸を設けた
ことを特徴とするものであり、この凹凸は負極および正
極と電解質膜との接合界面をサンドペーパーなどによっ
て切削すること等によって設けている。 【００１１】従って、低い圧力で加圧して負極および正
極と電解質膜とを接合しても、接合界面において、負極
および正極中の触媒と電解質膜とが均一に接合でき、す
ぐれたメタノール、空気の拡散性を有する膜／電極接合
体を得ることができる。 【００１２】 【実施例】（実施例）プロトン導電性固体高分子膜の両
面を８００番のサンドペーパーで磨いて凹凸を設けた
後、これを蒸留水で十分洗浄した後、５％の過酸化水素
水中に浸漬して３０分間熱処理したものを、１モルの硫
酸で加熱処理し、４回程蒸留水で洗浄して電解質膜とす
る。一方、白金とルテニウムを触媒成分として含有する
アノード触媒粉末、白金を触媒成分として含有するカソ
ード触媒粉末を、それぞれ蒸留水、６０％のポリテトラ
フロロエチレン溶液（三井デュポンフロロケミカル社
製）および５ｗｔ％のナフィオン溶液（アルドリッチ社
製）中に混合してペースト化し、これをあらかじめ撥水
処理した拡散層に塗布して負極および正極を得、これら
によって上記した電解質膜を挟持し、圧力６０ｋｇ／ｃ
ｍ2、温度１４６℃、時間３分間の条件下で加圧して接
合することにより、実施例に係る膜／電極接合体とし
た。 【００１３】（比較例1）上記した実施例に係る膜／電
極接合体に対し、比較例１に係る膜／電極接合体を、以
下の方法によって得た。 【００１４】凹凸を設けないプロトン導電性固体高分子
膜を、５％の過酸化水素水中に浸漬して３０分間熱処理
したものを、１モルの硫酸で加熱処理し、４回程蒸留水
で洗浄して電解質膜とする。一方、白金とルテニウムを
触媒成分として含有するアノード触媒粉末、白金を触媒
成分として含有するカソード触媒粉末を、それぞれ蒸留
水、６０％のポリテトラフロロエチレン溶液（三井デュ
ポンフロロケミカル社製）および５ｗｔ％のナフィオン
溶液（アルドリッチ社製）中に混合してペースト化し、
これをあらかじめ撥水処理した拡散層に塗布して負極お
よび正極を得、これらによって上記した電解質膜を挟持
し、圧力１００ｋｇ／ｃｍ2、温度１４６℃、時間３分
間の条件下で加圧して接合することにより、比較例１に
係る膜／電極接合体とした。 【００１５】（比較例２）比較例１で得た負極および正
極によって電解質膜を挟持し、圧力６０ｋｇ／ｃｍ2、
温度１４６℃、時間３分間の条件下で加圧して接合する
ことにより、比較例２に係る膜／電極接合体とした。 【００１６】（実験１）上記した実施例および比較例
１，２に係る膜／電極接合体を用いて直接メタノール形
燃料電池の単電池を組み立て、温度を９０℃、大気圧下
における燃料の流速を６ｍｌ／分、空気の流速を１００
０ｍｌ／分とした条件で負極側に１モルのメタノール水
溶液を、正極側に空気を供給し、電流―電圧特性を測定
し、結果を図１に示す。 【００１７】図１から明らかなように、本発明の膜／電
極接合体は従来の膜／電極接合体に比べて、電流―電圧
特性が良好であることがわかる。 【００１８】（実験２）上記した実施例および比較例
１，２に係る膜／電極接合体の負極と正極との間に、電
圧が０．１Ｖ、周波数が１ｋＨｚの交流を加え、温度が
９０℃の条件下における直接メタノール形燃料電池の交
流抵抗を測定したところ、本発明に係る膜／電極接合体
は０．１５Ω・ｃｍ2、比較例１に係る膜／電極接合体
は０．１６Ω・ｃｍ2であり、比較例２に係る膜／電極
接合体は０．３０Ω・ｃｍ2であった。 【００１９】このことから、実施例および比較例１に係
る膜／電極接合体は、電解質膜と負極および正極の触媒
との接合界面が均一にできたのに対し、比較例２に係る
膜／電極接合体は、電解質膜と負極および正極の触媒と
の接合界面が均一にできなかったことがわかる。 【００２０】すなわち、実施例に係る膜／電極接合体
は、比較例1のような高い圧力を加えなくても、それと
同程度の交流抵抗を得ることができることがわかる。 【００２１】なお、上記した実施例では、凹凸を設ける
のに、８００番のサンドペーパーを使用したが、これよ
り粗なものであれば膜面を傷付けてしまうので、これよ
り密なものを用いるのがよい。 【００２２】 【発明の効果】本発明によれば、膜／電極接合体を製造
する際、加える圧力を低くしても、負極および正極の触
媒と電解質膜とを均一に接合することができ、メタノー
ルや空気の拡散性に優れた膜／電極接合体を得るのに寄
与することができる。 【００２３】また、本発明の膜／電極接合体を直接メタ
ノール形燃料電池用いると、その高出力化に寄与するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および比較例に係る膜／電極接合体の電
流―電圧特性を測定した図である。
流―電圧特性を測定した図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】プロトン導電性固体高分子膜からなる電解
質膜を介して負極と正極とを接合し、前記負極に燃料と
してのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有す
る負極側セパレータが設けられ、前記正極に酸化剤ガス
としての空気を供給するための流路溝を有する正極側セ
パレータが設けられた直接メタノール形燃料電池用膜／
電極接合体であって、少なくとも前記負極または正極の
一方の、電解質膜との接合界面に凹凸を設けたことを特
徴とする直接メタノール形燃料電池用膜／電極接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001313183A JP2003123786A (ja) | 2001-10-10 | 2001-10-10 | 直接メタノール形燃料電池用膜／電極接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001313183A JP2003123786A (ja) | 2001-10-10 | 2001-10-10 | 直接メタノール形燃料電池用膜／電極接合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003123786A true JP2003123786A (ja) | 2003-04-25 |
Family
ID=19131713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001313183A Pending JP2003123786A (ja) | 2001-10-10 | 2001-10-10 | 直接メタノール形燃料電池用膜／電極接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003123786A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004102713A1 (ja) | 2003-05-14 | 2004-11-25 | Toray Industries Inc. | 膜電極複合体およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 |
| JP2005135752A (ja) * | 2003-10-30 | 2005-05-26 | Japan Science & Technology Agency | 燃料電池用酸素還元反応触媒 |
| WO2005101559A1 (en) * | 2004-04-19 | 2005-10-27 | Lg Electronics Inc. | Fuel cell |
| RU2329571C1 (ru) * | 2004-04-19 | 2008-07-20 | ЭлДжи ЭЛЕКТРОНИКС ИНК. | Топливный элемент |
-
2001
- 2001-10-10 JP JP2001313183A patent/JP2003123786A/ja active Pending
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