JP2005174564A - 燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体、それを用いた燃料電池、その燃料電池を搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、発電効率の良い燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体、該燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体を用いた燃料電池、該燃料電池を搭載した電子機器を提供することである。
【解決手段】
燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の電極表面上に所定の凹凸形状が作ってある精密成形型を押し当て、電極表面上に微小突起群または微小穴群を形成する。それにより、電極の表面積が増えることで酸化，還元反応が促進され、燃料電池の発電効率が向上する。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体，燃料電池及び該燃料電池を搭載した電子機器に関する。

電子機器の小型化，高性能化に伴い携帯用情報端末機器の普及が急速に進んでいる。従来、携帯用情報端末機器の電源としては、Ｎｉ／Ｃｄ電池，Ｎｉ／Ｈ電池，Ｌｉイオン電池等の二次電池が使われていた。しかし高性能化によって携帯用情報端末機器の消費電力が増加傾向にあり、従来の二次電池ではエネルギー密度が低いため消費電力の増加量に追随できず、携帯用情報端末機器の駆動時間が短くなることが考えられる。

エネルギー密度の高い電池としてダイレクトメタノール燃料電池があり、二次電池とは違い充電の必要がなく、燃料補給により携帯用情報端末機器は長時間駆動が可能である。

燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の作製方法としては、特開２００２−280002号公報に記載されてある。電極材料をスプレー法で高分子電解質膜上に塗布し乾燥，熱プレスで燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体を作製している。

燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体は、高分子電解質膜上に直接スラリー状の電極材料を塗布した後に熱プレスをする必要がある。高分子電解質膜上に直接スラリー状の電極材料を塗布しただけでは高分子電解質膜と電極材料の接着性が悪く、電極が剥がれる恐れがあり、熱プレスが必要となる。しかし、熱プレスをすることで電極表面が平らになり燃料との接触面積が減少し、発電効率が低下してしまう。そこで電極の表面積を大きくする必要がある。

本発明の目的は、燃料電池の発電効率を向上させるため電極表面に凹凸を形成した燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体及び燃料電池、該燃料電池を搭載した電子機器を提供することにある。

本発明は、高分子電解質膜／電極接合体において電極の片面または両面に塑性加工によって形成された微小突起群または微小穴群を有することを特徴とする燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体にある。燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体は、高分子電解質膜の表面に酸化，還元触媒を有する反応層を形成した構造をしている。

前記微小突起群及び微小穴群の断面形状は特に限定されず、円形，楕円形，多角形，非対称形等がある。微小突起群の高さは１μｍ以下が好ましく、全ての突起が同じ高さでもそれぞれ違う高さでもよい。微小穴群の深さは１μｍ以下が好ましく、全ての穴が同じ深さでもそれぞれ違う深さでもよい。微小突起群，微小穴群の間隔は一定でもばらばらでもよい。これら微小突起群及び微小穴群の形状は、精密成形型の凹凸部のパターン形状で変えることができる。精密成形型の材料は特に限定されない。微小突起群及び微小穴群を形成する前に高分子電解質膜と電極材料の接着性を良くするためのプレス作業は、行っても構わない。

本発明において高分子電解質膜とは、高分子骨格中にイオン交換能を有する基を持つ重合体を成膜したもの、あるいは高分子膜中にイオン交換能を有する物質を含ませてなるものの総称であり、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜に大別される。なお、両交換膜を接合した膜も存在する。陽イオン交換膜としては例えば、スルホン酸基，カルボン酸基，リン酸基を膜中の高分子鎖に有するイオン交換膜，高分子膜中に硫酸，スルホン酸類，リン酸類，カルボン酸類や固体酸の微粒子等の酸性物質を含ませたもの等が挙げられる。

また陰イオン交換膜としては例えば、アミノ基，水酸化第四アンモニウム，グアニジン基等の塩基性基を有する高分・子膜，膜中に固体塩基を分散させた膜等が挙げられる。また、膜中の酸又は塩基部分を塩にしたものや、塩を含浸させたものもある。

燃料電池用イオン交換膜として最も典型的なものとして、ポリパーフルオロスルホン酸を成膜した、例えば米国デュポン杜製；商品名ナフィオン，旭硝子（株）製：商品名フレミオン，旭化成工業（株）製：商品名アシプレックス等又は、芳香族炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。

本発明において触媒としては、燃料の酸化反応および酸化ガスの還元反応を促進するものであればよく、例えば、白金，金，銀，パラジウム，イリジウム，ロジウム，ルテニウム，鉄，コバルト，ニッケル，クロム，タングステン，マンガン，バナジウム等の金属や合金あるいは化合物を用いることができる。この中でも、白金およびその合金が燃料の酸化反応や酸化ガスの還元反応を促進する効果に優れており好ましい。

前記触媒は、粒子状で単独あるいはカーボン材料に代表される担体上に分散された状態で用いることが好ましい。前記カーボン材料としては、例えばファーネスブラック，チャンネルブラック，アセチレンブラック等のカーボンブラックやカーボンナノチューブ等の繊維状炭素あるいは活性炭，黒鉛等を用いることができ、これらは単独あるいは混合して使用することができる。

燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の電極上に微小突起群または微小穴群を形成することで電極の表面積が増え電極での酸化，還元反応が促進される。これにより燃料電池の発電効率が向上した。

カソード電極材料は、白金を５０重量％担時したカーボンブラックとデュポン社製５重量％ナフィオン溶液を重量比１／１５の割合で混合し、２４時間攪拌することでスラリー状の物が得られた。アノード電極材料は、白金−ルテニウム合金を５０重量％担時したカーボンブラックとデュポン社製５重量％ナフィオン溶液を重量比１／１５の割合で混合し、２４時間攪拌することでスラリー状の物が得られた。

カソード電極材料をスプレー法でデュポン社製ナフィオン１１７高分子電解質膜に塗布し、５０℃／５分間乾燥しカソード電極を作製した。反対の面にアノード電極材料を同様な方法で塗布、５０℃／５分間乾燥しアノード電極を作製した。その後、比較例は８０℃／１０分間熱プレスをすることで燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体が得られた。アノード電極材料及びカソード電極材料は、実施例，比較例ともに同量塗布した。得られた燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の断面構造を図１に示す。実施例の微小突起群及び微小穴群は、所定の凹凸形状が作ってある精密成形型を用いて形成した。また同時に高分子電解質膜と電極材料の接着性を良くするためのプレス作業を兼ねている。微小突起群を形成する精密成形型は凹部を有する。微小穴群を形成する精密成形型は凸部を有する。

〔比較例〕
図１に示す燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体は、電極表面上に微小突起群及び微小穴群を形成していないものである。高分子電解質膜上にアノード電極及びカソード電極が形成されている。

アノード電極上に微小突起群を形成した燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の断面を図２に示す。燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体のアノード電極２上に凹部を有するニッケル製精密成形型を押し当て、アノード電極上の微小突起群５をプレス形成した。微小突起群の形状は、高さ１μｍ，直径５００ｎｍ，間隔が１μｍである。

アノード電極及びカソード電極上に微小突起群を形成したの燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の断面を図３に示す。微小突起群の形成に用いた精密成形型は、実施例１のものを用いた。

アノード電極上に微小穴群を形成したの燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の断面を図４に示す。燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体のアノード電極２上に凸部を有するニッケル製精密成形型を押し当て、アノード電極上の微小穴群６をプレス形成した。微小穴群の形状は、深さ１μｍ，直径５００ｎｍ，間隔が１μｍである。

アノード電極及びカソード電極上に微小穴群を形成した燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の断面を図５に示す。微小穴群の形成に用いた精密成形型は、実施例３のものを用いた。

実施例１から実施例４及び比較例の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体を用いた燃料電池のセル電圧を電流の関係を図６に示す。用いた燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の電極の大きさは、アノード電極及びカソード電極ともに３cm×３cmである。また燃料は５重量％のメタノール水溶液である。図６よりセル電圧は電極上に微小突起群または微小穴群のない比較例が最も低く、続いて実施例１と実施例３は同等、実施例２と実施例４が同等で最も高くなった。

実施例１から実施例４の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体を用いて燃料電池を作製後に電子機器へ接続し、電子機器が駆動するのを確認した。電子機器が駆動する際、燃料電池１つでは電圧が足りないため、各燃料電池は必要な電圧が得られる数だけ燃料電池を直列に接続した。電子機器は、日立製携帯情報通信端末ＮＰＤ−１０ＪＷＬを用いた。用いた燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の電極の大きさは及び燃料は、実施例５と同じである。

本発明における比較例の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の概略図を示す。 本発明における実施例１の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の概略図を示す。 本発明における実施例２の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の概略図を示す。 本発明における実施例３の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の概略図を示す。 本発明における実施例４の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の概略図を示す。 本発明における実施例５の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体の概略図を示す。

符号の説明

１…ナフィオン、２…アノード電極、３…カソード電極、４…アノード電極上の微小突起群、５…カソード電極上の微小突起群、６…アノード電極上の微小穴群、７…カソード電極上の微小穴群、１１７…高分子電解質膜。

Claims (6)

1. 高分子電解質膜／電極接合体において、電極の片面または両面が塑性加工によって形成された微小突起群を有することを特徴とする燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体。
2. 高分子電解質膜／電極接合体において、電極の片面または両面が塑性加工によって形成された微小穴群を有することを特徴とする燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体。
3. 請求項１に記載の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２に記載の燃料電池用高分子電解質膜／電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項３に記載の燃料電池を搭載したことを特徴とする電子機器。
6. 請求項４に記載の燃料電池を搭載したことを特徴とする電子機器。
   

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