JP2006073303A - 燃料電池用電解質層および燃料電池用電解質層を備える膜電極接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池セルにおいて、触媒層からの触媒の流失を抑制する技術を提供する。
【解決手段】 本発明は、２つの触媒層に挟まれるための燃料電池用電解質層である。この電解質層は、２つの電極のいずれか一方に接合されるための第１の電解質層と、第１の電解質層に接合された第２の電解質層とを備える。ここで、第１の電解質層は、第２の電解質層よりも高い撥水性を有することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池用電解質層および燃料電池用膜電極接合体に関する。

燃料電池では、活性化過電圧を小さくして出力を大きくすることが求められる。かかる活性化過電圧を小さくする方法の１つに、イオン交換膜を挟む電極内に触媒を含むようにして分極抵抗を小さくするという方法が知られている。

特開２００１−１６０４０６号公報 特開平１１−２７３６９６号公報 特開平７−１８５２７７号公報

しかし、電極内の触媒は、燃料電池の作動条件において電位の変動によりイオン化し、発電時に生じた生成水の移動に伴って電極内から流失するという問題が発生していた。このような問題は、イオン交換膜を利用する燃料電池だけでなく触媒が流失し得るあらゆる型の燃料電池に発生し得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルにおいて、触媒層からの触媒の流失を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、触媒を含む２つの電極に挟まれるための燃料電池用の電解質層であって、
前記２つの電極のいずれか一方に接合されるための第１の電解質層と、
前記第１の電解質層に接合された第２の電解質層と、
を備え、
前記第１の電解質層は、前記第２の電解質層よりも高い撥水性を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池用の電解質層は、触媒層の少なくとも一方に接する層の撥水性が高くなるように構成されているので、触媒層から電解質内部への水の移動を抑制することで、触媒の溶出を抑制することができる。これにより、触媒層からの触媒の流失が抑制されることになる。

なお、本発明は、固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池といった触媒を使用するとともに水を生成する燃料電池に広く適用することが可能である。また、撥水性の高さは、たとえば撥水角に基づいて比較することができる。

また、「第１の電解質層に接合された第２の電解質層」は、第１の電解質層と第２の電解質層とを生成した後に接合する構成だけでなく、たとえば第２の電解質層にドーピングすることによってドーピングされた第１の電解質層を形成して構成する態様も含む。

上記電解質層において、前記第１の電解質層は、前記第２の電解質層を構成する電解質材料よりも撥水性が高い撥水性材料と、前記電解質材料とを混合することによって構成するようにしても良い。

撥水性材料としては、たとえばポリテトラフルオロチレン（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）といったハロゲン系ポリマー、アルコキシ金属塩その他の疎水性金属塩、金や金系合金その他の疎水性金属塩を利用することができる。

混合の態様としては、（１）撥水性の多孔質材料や網状材料に電解質を含侵するようにしても良いし、（２）溶液状の撥水性材料と電解質溶液を混合し乾燥させた後に成形するようにしても良いし、あるいは（３）粉体状の撥水性材料を電解質中に分散させるようにしても良い。

上記電解質層において、前記撥水性材料は、ポリテトラフルオロチレン（ＰＴＦＥ）を含むようにしても良い。こうすれば、ポリテトラフルオロチレンが高い撥水性を有するため、水の移動を抑制でき、よってプラチナイオンの通過抑制に顕著な効果を奏することができる。

上記電解質層において、前記撥水性材料は、金属を含むようにしても良い。こうすれば、第１の電解質層に導電性の機能を付加することができる。これにより、イオン交換膜の内部に移動してしまった触媒で生じた電子を出力する導電経路をイオン交換膜に付与することが可能となるので、イオン交換膜の内部において触媒が機能できるようにすることができる。

上記電解質層において、前記第１の電解質層は、前記多孔質材料に前記電解質材料が被覆したものであるようにしても良い。こうすれば、触媒の流失を効果的に抑制することができる。なお、被覆は、本明細書では、「含浸」を含むとともに、たとえばプロトン伝導性を有する無機粉末で表面を覆うことをも含む広い意味を有する。

上記電解質層において、前記電解質層は、固体高分子電解質膜であるようにしても良い。固体高分子電解質膜を使用する燃料電池は、水分管理によって性能が大きく左右されるので、触媒の溶出を抑制しつつ適切な水移動を実現できる上述の各構成は、顕著な効果を奏することができる。

本発明の他の態様は電解質電極接合体であって、
上記記載の電解質層と、
前記電解質層を両側から挟むように接合された触媒を含む２つの電極と、
を備えることを特徴とする。

上記電解質電極接合体において、前記２つの電極の少なくとも一方は、前記第１の電解質層に接する層である第１の電極層と、
前記第１の電極層に接合された第２の電極層と、
を備え、
前記第１の触媒層は、前記第２の触媒層よりも高い親水性を有するようにしても良い。

こうすれば、かかる接触面において触媒が析出しやすくなるので、触媒層からの触媒の流失をさらに抑制することができる。なお、「第１の電極層に接合された第２の電極層」は、第１の電極層と第２の電極層とを生成した後に接合する構成だけでなく、たとえば第２の電極層層にドーピングすることによってドーピングされた第１の電極層を形成して構成する態様も含む。

本発明は、上述の燃料電池用電解質や電解質電極接合体の他、燃料電池や燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した移動体の発明として構成することもできる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池セルの構成：
Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池セルの構成：
Ｃ．変形例：

Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池セルの構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の構成を示す断面図である。燃料電池セル２０は、高分子電解質層２１と、高分子電解質層２１を両側から挟持するガス拡散電極２２、２３と、ガス拡散電極２２、２３をさらに両側から挟持するガスセパレータ２４、２５と、を備えている。ガス拡散電極２２、２３は、それぞれ触媒層２２ｃ、２３ｃとガス拡散層２２ｇ、２３ｇとを備えている。ここで、触媒層２２ｃ、２３ｃは、本実施例では、プラチナを触媒として使用している。

ガスセパレータ２４は、燃料ガスとして水素ガスをガス拡散層２２ｇに供給する。ガス拡散層２２ｇに供給された水素ガスは、触媒層２２ｃにおいて電子と水素イオンとに分解される。電子は、電力として出力される。水素イオンは、電気浸透現象によって随伴水とともに触媒層２２ｃから高分子電解質層２１の内部に移動する。

ガスセパレータ２５は、酸化ガスとして酸素ガスをガス拡散層２３ｇに供給する。ガス拡散層２３ｇに供給された酸化ガスは、触媒層２３ｃにおいて電子および水素イオンと結合して水を生成する。かかる生成水は、触媒層２２ｃから高分子電解質層２１の内部に逆拡散する。

図２は、触媒層２２ｃ、２３ｃから高分子電解質層２１の内部への水の移動に伴って触媒（プラチナ）が移動する様子を示す説明図である。図２（ａ）は、比較例において触媒が移動する様子を示している。図２（ｂ）は、本発明の第１実施例において触媒が移動する様子を示している。本発明の第１実施例の構成は、高分子電解質層２１が撥水層２１０、２１２を触媒層２２ｃ、２３ｃとの接合面に備えている点で比較例の構成と異なる。

撥水層２１０、２１２は、撥水性材料としてのポリテトラフルオロチレン（ＰＴＦＥ）の多孔質材料に高分子電解質層２１の材料であるナフィオンを含浸させることによって混合された層である。撥水層２１０、２１２は、随伴水を伴う水素イオンや逆拡散水を適度に通過させるとともに、プラチナイオンの通過を抑制することができるという機能を有する。プラチナイオンの通過が抑制されるのは、プラチナイオンのサイズが水素イオンや水分子に比べて極めて大きいからである。

撥水性材料としては、ポリテトラフルオロチレン（ＰＴＦＥ）だけでなく、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）やポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）といったハロゲン系ポリマー、アルコキシ金属塩その他の疎水性金属塩、金や金系合金その他の疎水性金属塩を利用することができる。

ただし、ポリテトラフルオロチレンが高い撥水性を有するため、プラチナイオンの通過抑制に顕著な効果を奏することができるという利点がある。一方、撥水性材料に金属を含むようにすれば、撥水層２１０、２１２に導電性の機能を付加して、撥水層２１０、２１２の内部に移動してしまった触媒で生じた電子を出力するための導電経路を与えることができるという利点がある。

混合の態様としては、撥水性の多孔質材料に電解質材料を含侵させるだけでなく、たとえば（１）撥水性の多孔質材料や網状材料に電解質を含侵するようにしても良いし、（２）溶液状の撥水性材料と電解質溶液を混合し乾燥させた後に成形するようにしても良いし、あるいは（３）粉体状の撥水性材料を電解質中に分散させるようにしても良い。ただし、撥水性の多孔質材料に電解質材料を含侵させる混合態様が、プラチナイオンの通過抑制に大きな効果を奏することが発明者に見いだされた。

撥水層２１０、２１２は、以下のように触媒層２２ｃ、２３ｃ内部の触媒量の減少を抑制している。すなわち、比較例（図２（ａ））の構成では、触媒が高分子電解質層２１の内部に流れ込んでしまい、触媒層２２ｃ、２３ｃ内部の触媒の量が減少している。一方、第１実施例の構成（図２（ｂ））では、撥水層２１０、２１２が触媒の高分子電解質層２１への流れ込みを抑制しているため、触媒層２２ｃ、２３ｃ内部の触媒の量が減少していない。

このように、本発明の第１実施例では、撥水層２１０、２１２が触媒の高分子電解質層２１への流れ込みを抑制しているので、触媒層２２ｃ、２３ｃに含まれる触媒の発電に伴う減少を抑制することができる。この結果、燃料電池セル２０の発電に伴う分極抵抗の増大を抑制することができる。

なお、撥水層２１０、２１２は、特許請求の範囲における「第１の電解質層」に相当し、撥水層２１０、２１２に挟まれた中央の層２１１は、特許請求の範囲における「第２の電解質層」に相当する。また、特許請求の範囲における「第１の電解質層に接合された第２の電解質層」は、第１の電解質層と第２の電解質層とを生成した後に接合する構成だけでなく、たとえば第２の電解質層にドーピングすることによってドーピングされた第１の電解質層を形成して構成する態様も含む。

Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池セルの構成：
図３は、本発明の第２実施例における触媒層２２ｃａ、２３ｃａと高分子電解質層２１とを示す断面図である。第２実施例の触媒層２２ｃａ、２３ｃａは、それぞれ親水性触媒層２２１、２３１を高分子電解質層２１との接合面に備える点で第１実施例の触媒層２２ｃ、２３ｃと異なる。親水性触媒層２２１、２３１は、触媒層２２ｃ、２３ｃよりも高い親水性を有する層である。このような層は、たとえば親水性材料の添加、スルホン酸基やリン酸基の比率の変更、あるいは電解質の比率の変更によって実現することができる。

高分子電解質層２１との接合面において、触媒層２２ｃａ、２３ｃａが親水性触媒層２２１、２３１を備えるようにしているのは、高分子電解質層２１が有する撥水層２１０、２１２と相まって生成水のよどみ領域を上述の接合面に形成するためである。生成水のよどみ領域は、触媒イオン（本実施例ではプラチナイオン）の析出を促進して、触媒層２２ｃａ、２３ｃａからの触媒の流出を抑制するとともに、高分子電解質層２１との接合面における化学反応を促進して発電効率を高めることができるからである。

このように、第２実施例では、触媒層２２ｃａ、２３ｃａが備える親水性触媒層２２１、２３１によって、触媒層２２ｃａ、２３ｃａからの触媒の流失をさらに抑制することができるとともに、高分子電解質層２１との接合面における化学反応を促進して発電効率を高めることができるという利点がある。

なお、特許請求の範囲における「第１の電極層に接合された第２の電極層」は、第１の電極層と第２の電極層とを生成した後に接合する構成だけでなく、たとえば第２の電極層層にドーピングすることによってドーピングされた第１の電極層を形成して構成する態様も含む。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｃ−１．上述の各実施例では、アノード側とカソード側の双方に撥水層２１０、２１２と親水性触媒層２２１、２３１とを設けているが、たとえば一方のみに設けるようにしても良い。

Ｃ−２．上述の各実施例では、電解質層に固体高分子電解質膜を使用しているが、たとえばリン酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池にも本発明は適用できる。本発明は、一般に触媒を使用するとともに水を生成する燃料電池に広く適用することが可能である。ただし、固体高分子電解質膜を使用する燃料電池は、電気浸透や逆拡散による水移動が多いので、本発明は顕著な効果を奏することができる。

本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の構成を示す断面図。 触媒層２２ｃ、２３ｃから高分子電解質層２１の内部への水の移動に伴って触媒（プラチナ）が移動する様子を示す説明図。 本発明の第２実施例における触媒層２２ｃａ、２３ｃａと高分子電解質層２１とを示す断面図。

符号の説明

２０…燃料電池セル
２１…高分子電解質層
２２、２３…ガス拡散電極
２２ｃ…触媒層
２２ｃａ…触媒層
２２ｇ…ガス拡散層
２３ｃ…触媒層
２３ｇ…ガス拡散層
２４、２５…ガスセパレータ
２１０、２１２…撥水層
２２１、２３１…親水性触媒層

Claims (8)

1. 触媒を含む２つの電極に挟まれるための燃料電池用の電解質層であって、
   前記２つの電極のいずれか一方に接合されるための第１の電解質層と、
   前記第１の電解質層に接合された第２の電解質層と、
   を備え、
   前記第１の電解質層は、前記第２の電解質層よりも高い撥水性を有することを特徴とする、燃料電池用電解質層。
2. 請求項１記載の電解質層であって、
   前記第１の電解質層は、前記第２の電解質層を構成する電解質材料よりも撥水性が高い撥水性材料と、前記電解質材料とを混合することによって構成されている、燃料電池用電解質層。
3. 請求項２記載の電解質層であって、
   前記撥水性材料は、ポリテトラフルオロチレン（ＰＴＦＥ）を含む、燃料電池用電解質層。
4. 請求項２または３に記載の電解質層であって、
   前記撥水性材料は、金属を含む、燃料電池用電解質層。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載の電解質層であって、
   前記撥水性材料は、多孔質材料であり、
   前記第１の電解質層は、前記多孔質材料に前記電解質材料が被覆したものである、燃料電池用電解質層。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の電解質層であって、
   前記電解質層は、固体高分子電解質膜である、燃料電池用電解質層。
7. 電解質電極接合体であって、
   請求項１ないし６のいずれかに記載の電解質層と、
   前記電解質層を両側から挟むように接合された触媒を含む２つの電極と、
   を備えることを特徴とする、電解質電極接合体。
8. 請求項７記載の電解質電極接合体であって、
   前記２つの電極の少なくとも一方は、前記第１の電解質層に接する層である第１の電極層と、
   前記第１の電極層に接合された第２の電極層と、
   を備え、
   前記第１の触媒層は、前記第２の触媒層よりも高い親水性を有する、電解質電極接合体。

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