JP2003208908A - 燃料電池用電解質膜構成体 - Google Patents
燃料電池用電解質膜構成体Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】薄肉で安定した構成の触媒層を備えた燃料電池
用電解質膜構成体を提供する。 【解決手段】固体高分子電解質膜２１の両面に、第１お
よび第２の白金膜２２および２４と、電解質膜２１の構
成材を溶質とする溶液の塗布による第１および第２の塗
布膜２３および２５を交互に積層することによって触媒
層２６および２７を構成する。
用電解質膜構成体を提供する。 【解決手段】固体高分子電解質膜２１の両面に、第１お
よび第２の白金膜２２および２４と、電解質膜２１の構
成材を溶質とする溶液の塗布による第１および第２の塗
布膜２３および２５を交互に積層することによって触媒
層２６および２７を構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用電解質
膜構成体に関し、特に、薄肉で安定した構成の触媒層を
備えた燃料電池用電解質膜構成体に関する。
膜構成体に関し、特に、薄肉で安定した構成の触媒層を
備えた燃料電池用電解質膜構成体に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２は、燃料電池の一般的な構成を示
す。（ａ）に示されるように固体高分子電解質膜１をセ
パレータ２および３で挟持し、これらのセパレータ２と
３に、燃料である水素の導入部４、酸素の導入部５、お
よび生成した水の排出部６を形成した構成を有する。
す。（ａ）に示されるように固体高分子電解質膜１をセ
パレータ２および３で挟持し、これらのセパレータ２と
３に、燃料である水素の導入部４、酸素の導入部５、お
よび生成した水の排出部６を形成した構成を有する。
【０００３】（ｂ）は、その内部構成を示し、両面にガ
ス拡散層７および８を形成した固体高分子電解質膜１の
両面に、陽極側ガス溝９と陰極側ガス溝１０をそれぞれ
内面に形成したセパレータ２および３を配し、これらを
一体化した構成を有する。
ス拡散層７および８を形成した固体高分子電解質膜１の
両面に、陽極側ガス溝９と陰極側ガス溝１０をそれぞれ
内面に形成したセパレータ２および３を配し、これらを
一体化した構成を有する。
【０００４】図３は、以上の構成の燃料電池の機能原理
を示す。陰極１１側より導入された水素ガスは、陰極１
１内を通過して反応帯域近くに到達し、固体高分子電解
質膜１が表面に有する陰極側の触媒層１２に吸収される
ことによって水の存在のもとに活性な水素原子と電子に
なり、このとき、２個の電子を発生させる。 Ｈ2＋２Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋２ｅ-
を示す。陰極１１側より導入された水素ガスは、陰極１
１内を通過して反応帯域近くに到達し、固体高分子電解
質膜１が表面に有する陰極側の触媒層１２に吸収される
ことによって水の存在のもとに活性な水素原子と電子に
なり、このとき、２個の電子を発生させる。 Ｈ2＋２Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋２ｅ-
【０００５】一方、陽極１３の側では、触媒層１４の存
在のもとで、外部より供給された酸素分子が固体高分子
電解質膜１からの水と反応して水酸イオンを生成する。 １／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ→２ＯＨ- この陽極１３の側で生成した水酸イオンは、固体高分子
電解質膜１の中を移動してきた水素原子と反応して水分
子となり、この結果、電池全体の反応としては、 Ｈ2＋１／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ のように燃料ガスの水素と空気中の酸素による水生成の
反応となる。
在のもとで、外部より供給された酸素分子が固体高分子
電解質膜１からの水と反応して水酸イオンを生成する。 １／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ→２ＯＨ- この陽極１３の側で生成した水酸イオンは、固体高分子
電解質膜１の中を移動してきた水素原子と反応して水分
子となり、この結果、電池全体の反応としては、 Ｈ2＋１／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ のように燃料ガスの水素と空気中の酸素による水生成の
反応となる。
【０００６】ところで、触媒層１２および１４の構成材
としては、通常、白金が使用される。また、メタノール
系あるいはガソリン改質系のシステムにおいては、対一
酸化炭素策としてルテニウムを添加した白金が使用さ
れ、これらの白金あるいはその混合体は、電析の手法に
よってカーボン粉の表面に析出させられる。
としては、通常、白金が使用される。また、メタノール
系あるいはガソリン改質系のシステムにおいては、対一
酸化炭素策としてルテニウムを添加した白金が使用さ
れ、これらの白金あるいはその混合体は、電析の手法に
よってカーボン粉の表面に析出させられる。
【０００７】カーボン粉と白金等の比率は、重量比で
１：１に設定されるのが普通であり、白金を表面に担持
させたカーボン粉は、バインダー成分を含む溶液の塗布
によって固体高分子電解質膜１上に固着され、これによ
って所定の触媒層１２および１４が形成される。
１：１に設定されるのが普通であり、白金を表面に担持
させたカーボン粉は、バインダー成分を含む溶液の塗布
によって固体高分子電解質膜１上に固着され、これによ
って所定の触媒層１２および１４が形成される。
【０００８】水素ガスは、陰極側の触媒層１２の界面に
おいて水素イオン（プロトン）と電子に別れ、これらの
うち水素イオンは、固体高分子電解質膜１中を伝搬して
酸素極である陽極１３の側に移動する一方、電子は、触
媒１２上よりこれに接触している図２の導電性のガス拡
散層７およびセパレータ２を通して取り出され、これに
よって所定の電池機能が発揚される。
おいて水素イオン（プロトン）と電子に別れ、これらの
うち水素イオンは、固体高分子電解質膜１中を伝搬して
酸素極である陽極１３の側に移動する一方、電子は、触
媒１２上よりこれに接触している図２の導電性のガス拡
散層７およびセパレータ２を通して取り出され、これに
よって所定の電池機能が発揚される。
【０００９】高性能の電池機能を得るためには、固体高
分子電解質膜１への触媒層１２および１４の形成を如何
に安定したものとするかが重要であり、このため、カー
ボン粉を固定するのに使用される溶液中のバインダーの
種類、濃度、塗布厚、あるいは塗布方法等に関して、様
々な検討が行われている。
分子電解質膜１への触媒層１２および１４の形成を如何
に安定したものとするかが重要であり、このため、カー
ボン粉を固定するのに使用される溶液中のバインダーの
種類、濃度、塗布厚、あるいは塗布方法等に関して、様
々な検討が行われている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のカーボ
ン粉担持形式の触媒層を有した電解質膜構成体による
と、隙間発生を防ぐ意味から触媒層を厚く形成しなけれ
ばならず、このため、厚肉の触媒層の存在が、水素イオ
ンに対する抵抗成分として作用するとともに、触媒とし
て機能しない部分を生成させる問題を有している。触媒
層の厚肉形成と非触媒分の生成は、白金が高価であるこ
とを考慮するとき、経済的に明らかに不利となる。
ン粉担持形式の触媒層を有した電解質膜構成体による
と、隙間発生を防ぐ意味から触媒層を厚く形成しなけれ
ばならず、このため、厚肉の触媒層の存在が、水素イオ
ンに対する抵抗成分として作用するとともに、触媒とし
て機能しない部分を生成させる問題を有している。触媒
層の厚肉形成と非触媒分の生成は、白金が高価であるこ
とを考慮するとき、経済的に明らかに不利となる。
【００１１】また、カーボン粉による白金の担持形態
は、温度や湿度の変化による固体高分子電解質膜の伸
縮、あるいは振動等を原因としたガス拡散層と触媒層の
擦れによるカーボン粉の凝集現象を招きやすく、このた
め、電池機能を低下させやすいという構成上の不利益性
も有している。
は、温度や湿度の変化による固体高分子電解質膜の伸
縮、あるいは振動等を原因としたガス拡散層と触媒層の
擦れによるカーボン粉の凝集現象を招きやすく、このた
め、電池機能を低下させやすいという構成上の不利益性
も有している。
【００１２】従って、本発明の目的は、薄肉で安定した
構成の触媒層を備えた燃料電池用電解質膜構成体を提供
することにある。
構成の触媒層を備えた燃料電池用電解質膜構成体を提供
することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、固体高分子電解質膜上に白金等を構成成
分とする触媒層を形成した燃料電池用電解質膜構成体に
おいて、前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜上に蒸
着等によって形成された前記構成成分の膜と、前記構成
成分の膜上に形成された前記固体高分子電解質膜の構成
材を溶質とする溶液の塗布膜より構成されることを特徴
とする燃料電池用電解質膜構成体を提供するものであ
る。
達成するため、固体高分子電解質膜上に白金等を構成成
分とする触媒層を形成した燃料電池用電解質膜構成体に
おいて、前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜上に蒸
着等によって形成された前記構成成分の膜と、前記構成
成分の膜上に形成された前記固体高分子電解質膜の構成
材を溶質とする溶液の塗布膜より構成されることを特徴
とする燃料電池用電解質膜構成体を提供するものであ
る。
【００１４】本発明において、固体高分子電解質膜上に
形成される上記の構成成分の膜としては、下限において
は、所定の触媒効果を得るため、そして、上限において
は、過剰な厚さとなるのを防ぐ意味から、０．２〜５ｎ
ｍの厚さとなるように形成することが好ましい。
形成される上記の構成成分の膜としては、下限において
は、所定の触媒効果を得るため、そして、上限において
は、過剰な厚さとなるのを防ぐ意味から、０．２〜５ｎ
ｍの厚さとなるように形成することが好ましい。
【００１５】また、触媒層の構成は、安定な構造とする
ために複数の膜の積層体の形式が好ましく、さらに、白
金等を構成成分とする膜は、電解質膜の構成材を溶質と
する溶液の塗布膜との関係において、いずれかあるいは
双方が複数形成されるとともに、互いに交互に積層され
ることが、より高度の構造安定化を図るうえにおいて好
ましい。
ために複数の膜の積層体の形式が好ましく、さらに、白
金等を構成成分とする膜は、電解質膜の構成材を溶質と
する溶液の塗布膜との関係において、いずれかあるいは
双方が複数形成されるとともに、互いに交互に積層され
ることが、より高度の構造安定化を図るうえにおいて好
ましい。
【００１６】上記の構成成分の材質としては、多くの場
合、白金が使用されるが、たとえば、使用燃料がメタノ
ールあるいはガソリン改質系のように一酸化炭素含有の
可能性のある場合における、被毒対策としてのルテニウ
ム含有白金のように、複数元素による成分構成もある。
なお、電解質膜上へのこれらの元素の膜の形成手段とし
ては、スパッタリング法あるいは電子ビーム蒸着法が好
ましい。
合、白金が使用されるが、たとえば、使用燃料がメタノ
ールあるいはガソリン改質系のように一酸化炭素含有の
可能性のある場合における、被毒対策としてのルテニウ
ム含有白金のように、複数元素による成分構成もある。
なお、電解質膜上へのこれらの元素の膜の形成手段とし
ては、スパッタリング法あるいは電子ビーム蒸着法が好
ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】次に、本発明による燃料電池用電
解質膜構成体の実施の形態を説明する。図１は、その構
成を示したもので、２１はナフィオン１１２（デュポン
社商品名）より構成される固体高分子電解質膜、２２は
電解質膜２１の両面にそれぞれスパッタリング法によっ
て形成された１ｎｍ厚さの第１の白金膜を示す。
解質膜構成体の実施の形態を説明する。図１は、その構
成を示したもので、２１はナフィオン１１２（デュポン
社商品名）より構成される固体高分子電解質膜、２２は
電解質膜２１の両面にそれぞれスパッタリング法によっ
て形成された１ｎｍ厚さの第１の白金膜を示す。
【００１８】２３は５％濃度のナフィオン１１２を含む
水・エタノール混合液をスプレーにより塗布し、これを
加熱することによって白金膜２２上に形成された第１の
塗布膜、２４は塗布膜２３上に白金膜２２と同様にして
同厚に形成された第２の白金膜、２５は白金膜２４上に
塗布膜２３と同様にして形成された第２の塗布膜を示
す。
水・エタノール混合液をスプレーにより塗布し、これを
加熱することによって白金膜２２上に形成された第１の
塗布膜、２４は塗布膜２３上に白金膜２２と同様にして
同厚に形成された第２の白金膜、２５は白金膜２４上に
塗布膜２３と同様にして形成された第２の塗布膜を示
す。
【００１９】以上のように構成されるこの実施の形態に
よる燃料電池用電解質膜構成体によれば、固体高分子電
解質膜２１の両面に形成された触媒層２６および２７
が、白金膜２２と２４、および固体高分子電解質膜の構
成材による塗布膜２３と２５によって構成されるため、
厚さを大幅に薄肉化できるとともに、白金膜２２と２４
が塗布膜２３と２５内に埋められることによる構造の安
定化を図ることができる。
よる燃料電池用電解質膜構成体によれば、固体高分子電
解質膜２１の両面に形成された触媒層２６および２７
が、白金膜２２と２４、および固体高分子電解質膜の構
成材による塗布膜２３と２５によって構成されるため、
厚さを大幅に薄肉化できるとともに、白金膜２２と２４
が塗布膜２３と２５内に埋められることによる構造の安
定化を図ることができる。
【００２０】従って、この結果、カーボン粉への担持形
式に基づく従来の電解質膜構成体のように、厚肉形成を
原因とした水素イオンに対する抵抗作用、あるいは電解
質膜の伸縮や振動等による性能低下の問題を完全に解消
することができ、さらに、薄肉化による経済的な利益を
得ることができる。
式に基づく従来の電解質膜構成体のように、厚肉形成を
原因とした水素イオンに対する抵抗作用、あるいは電解
質膜の伸縮や振動等による性能低下の問題を完全に解消
することができ、さらに、薄肉化による経済的な利益を
得ることができる。
【００２１】そして、この実施の形態においては、触媒
層２６と２７が、第１および第２の白金膜２２および２
４と第１および第２の塗布膜２３および２５の交互積層
体によって構成されるため、構造的により安定した状態
の触媒層を形成することが可能となる。
層２６と２７が、第１および第２の白金膜２２および２
４と第１および第２の塗布膜２３および２５の交互積層
体によって構成されるため、構造的により安定した状態
の触媒層を形成することが可能となる。
【００２２】なお、本実施の形態と従来タイプの電解質
膜構成体を使用した燃料電池の内部抵抗を比較したとこ
ろ、本実施の形態による電解質膜構成体を使用したもの
が０．５Ω／ｃｍ2と、従来タイプに対して３０％以上
もの改善を示すことが確認された。
膜構成体を使用した燃料電池の内部抵抗を比較したとこ
ろ、本実施の形態による電解質膜構成体を使用したもの
が０．５Ω／ｃｍ2と、従来タイプに対して３０％以上
もの改善を示すことが確認された。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による燃料
電池用電解質膜構成体によれば、固体高分子電解質膜上
に蒸着等によって形成された白金等の膜と、この膜の上
に形成された固体高分子電解質膜の構成材を溶質とする
溶液の塗布膜によって触媒層を構成しているため、薄肉
で安定した構成の触媒層を備える燃料電池用電解質膜構
成体を提供することができる。
電池用電解質膜構成体によれば、固体高分子電解質膜上
に蒸着等によって形成された白金等の膜と、この膜の上
に形成された固体高分子電解質膜の構成材を溶質とする
溶液の塗布膜によって触媒層を構成しているため、薄肉
で安定した構成の触媒層を備える燃料電池用電解質膜構
成体を提供することができる。
【図１】本発明による燃料電池用電解質膜構成体の実施
の形態を示す説明図。
の形態を示す説明図。
【図２】燃料電池の一般的構成を示す説明図であり、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面図を示す。
（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面図を示す。
【図３】燃料電池の機能原理を示す説明図。
２１ 固体高分子電解質膜
２２ 第１の白金膜
２３ 第１の塗布膜
２４ 第２の白金膜
２５ 第２の塗布膜
２６，２７ 触媒層
Claims (6)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜上に白金等を構成成分
とする触媒層を形成した燃料電池用電解質膜構成体にお
いて、 前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜上に蒸着等によ
って形成された前記構成成分の膜と、前記構成成分の膜
上に形成された前記固体高分子電解質膜の構成材を溶質
とする溶液の塗布膜より構成されることを特徴とする燃
料電池用電解質膜構成体。 - 【請求項２】前記構成成分の膜は、０．２〜５ｎｍの厚
さに形成されていることを特徴とする請求項１項記載の
燃料電池用電解質膜構成体。 - 【請求項３】前記構成成分の膜は、前記構成成分の膜の
複数の積層体より構成されることを特徴とする請求項１
項記載の燃料電池用電解質膜構成体。 - 【請求項４】前記構成成分の膜と前記塗布膜は、いずれ
か一方あるいは双方が複数形成され、互いに交互に積層
されていることを特徴とする請求項１項記載の燃料電池
用電解質膜構成体。 - 【請求項５】前記構成成分の膜は、白金およびルテニウ
ムの組合せのような複数の元素を含むことを特徴とする
請求項１項記載の燃料電池用電解質膜構成体。 - 【請求項６】前記構成成分の膜は、スパッタリングある
いは電子ビーム蒸着によって形成されていることを特徴
とする請求項１項記載の燃料電池用電解質膜構成体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002003448A JP3797226B2 (ja) | 2002-01-10 | 2002-01-10 | 燃料電池用電解質膜構成体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002003448A JP3797226B2 (ja) | 2002-01-10 | 2002-01-10 | 燃料電池用電解質膜構成体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003208908A true JP2003208908A (ja) | 2003-07-25 |
| JP3797226B2 JP3797226B2 (ja) | 2006-07-12 |
Family
ID=27643037
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002003448A Expired - Fee Related JP3797226B2 (ja) | 2002-01-10 | 2002-01-10 | 燃料電池用電解質膜構成体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3797226B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005078870A (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-24 | Sony Corp | 燃料電池およびその製造方法 |
| JP2010033759A (ja) * | 2008-07-25 | 2010-02-12 | Toshiba Corp | 触媒層担持基板の製造方法、触媒層担持基板、膜電極複合体、および燃料電池 |
| CN102709574A (zh) * | 2011-03-28 | 2012-10-03 | 株式会社东芝 | 催化剂层、膜电极组件以及电化学电池 |
-
2002
- 2002-01-10 JP JP2002003448A patent/JP3797226B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005078870A (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-24 | Sony Corp | 燃料電池およびその製造方法 |
| JP2010033759A (ja) * | 2008-07-25 | 2010-02-12 | Toshiba Corp | 触媒層担持基板の製造方法、触媒層担持基板、膜電極複合体、および燃料電池 |
| US8758959B2 (en) | 2008-07-25 | 2014-06-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Processes for producing catalyst-layer-supporting substrate, catalyst-layer-supporting substrate, membrane electrode assembly, and fuel cell |
| US9666875B2 (en) | 2008-07-25 | 2017-05-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Processes for producing catalyst-layer-supporting substrate, catalyst-layer-supporting substrate, membrane electrode assembly, and fuel cell |
| CN102709574A (zh) * | 2011-03-28 | 2012-10-03 | 株式会社东芝 | 催化剂层、膜电极组件以及电化学电池 |
| JP2012204221A (ja) * | 2011-03-28 | 2012-10-22 | Toshiba Corp | 層状触媒層、膜電極接合体、および電気化学セル |
| US9406941B2 (en) | 2011-03-28 | 2016-08-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Catalyst layer, membrane electrode assembly, and electrochemical cell |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3797226B2 (ja) | 2006-07-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
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