JP2007048573A - 燃料電池用膜電極接合体、その製造方法および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも固体高分子電解質13と、触媒14と、ワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体12を有する燃料電池用膜電極接合体。該燃料電池用膜電極接合体を用いた燃料電池。少なくとも固体高分子電解質と、触媒と、ワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体を有する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、前記触媒と、酸化物半導体と、固体高分子電解質溶液を混合してスラリーを得る工程と、前記スラリーを固体高分子電解質膜に設置する工程を含む燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
【選択図】 図1
Description
すなわち、本発明は、少なくとも固体高分子電解質と、触媒と、ワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体を有することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体であることを特徴とする。
前記触媒は、白金、白金を含む合金または白金を含む混合物であることが好ましい。
前記酸化物半導体に触媒が担持されていることが好ましい。
さらに、本発明は、上記の燃料電池用膜電極接合体を用いた燃料電池である。
本発明における固体高分子型燃料電池のワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体は、図1(a)の膜電極接合体11中に存在する酸化物半導体12で示されるものである。
酸化物半導体の作製方法は、基本的にワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体を得ることができる製法であれば特に限定されるものでは無い。しかし、製法として気相法と液相法に分類でき、さらに気相法は化学気相析出法(CVD)と物理気相析出法(PVD)に分類でき、一方液相法は化学的液相法と物理的液相法に分類できる。
先ず、電極付き基板上に孔径1μmのポリメタクリル酸メチル(PMMA)を鋳型として設置した基体を準備する。この基体を、0.1〜0.3mol/Lのテトラフルオロチタン酸アンモニウムと0.1〜0.3mol/Lのホウ酸を溶解し、pH3.5〜4.0に調整した溶液中に浸漬する。このとき、溶液の温度として室温〜40℃で行うが、この温度範囲に限られるものでは無く、例えば硫酸チタニルをpH2程度に調整した溶液の場合は50〜70℃が好ましく、溶質やpHによって最適な温度が存在する。しかし、一般的に常温〜100℃が好ましく、さらに、30℃〜70℃が孔内に生成させるには好ましい。調整した溶液に5〜20時間浸した後、酢酸エチルによりPMMA膜を溶解させ、水洗乾燥後、炉で約350〜500℃程度に加熱することにより、基板上から生成したワイヤ状結晶を得ることが出来る。
図4に示す装置において、反応容器47内に配置した電極46に抵抗加熱体であるるつぼ45を接続し、電流印加によりるつぼを加熱させると、るつぼ内の原料44が蒸発し、対向した基体ホルダー42に付けた基板41に付着できる。またガスは反応容器下部のガス導入ライン48から導入し、反応容器の中を上昇して反応容器上部のガス排気ライン49から排気される。基板41は適度な温度に保持できるように基板ホルダー42の裏には基板ヒータ43が設けられている。
また、酸素濃度や圧力、基板温度によって、基板上にも酸化物超微粒子等が成長する場合もある。
本発明の燃料電池用膜電極接合体を構成する触媒は、固体高分子電解質と3相界面を形成したときに電子と電荷を分離できる機能を有する材料ならば何でも用いられ得る。特に白金、若しくは白金を含む合金、若しくはコアシェル構造などの白金を含む混合物であることが好ましい。さらに、白金の合金、若しくは白金を含む混合体として白金と共に含まれる材料としては、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、レニウム、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、およびオスミウムなどが例示できる。しかし水素等アノード側燃料の酸化反応および酸素等カソード側燃料の還元反応を促進する材料であればこれらに限られるものではない。また、この触媒の形状は限定されるものではなく、例えば球状の微粒子から、ワイヤ状、網状、立方体、4面体、チューブ状などが挙げられる。
本発明の膜電極接合体の構成成分である固体高分子電解質は、アノード側で発生したカチオンを速やかにカソード側に移動させるために高いイオン伝導性が求められる。固体高分子電解質としてはこうした要求を満たすために、水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料遮断性に優れる材料が好ましく用いられる。具体的には、水素イオン解離が可能な有機基として、スルホン酸基、スルフィン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、ホスフィン酸基、リン酸基、水酸基などを有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、スルホン化ポリアミドイミド樹脂、スルホン化ポリスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルイミド半透膜、パーフルオロホスホン酸樹脂、パーフルオロスルホン酸樹脂等が例示できる。上記例示した固体高分子電解質が好適に用いられるが、これらに限定されるものでは無い。
膜電極接合体には、基本的にカチオンをアノード側に輸送できる固体高分子膜と、アノード及びカソードで発生した電子を取り出すことが出来る触媒電極が存在すれば発電が可能となるため、担体は必ずしも必要な材料ではない。しかし、主として白金の使用量を削減することを目的として、電子移動が可能な材料を膜電極接合体中に担持することが行われている。
固体高分子電解質−触媒複合型の燃料電池の燃料は、アノード側では水素、改質水素、メタノール、ジメチルエーテル等の触媒電極と固体高分子電解質の作用によって電子とカチオンが発生する燃料なら何でも用いられ得る。またカソード側では空気や酸素等のカチオンを受け取り電子を取り込む燃料なら何でも用いられ得る。一般的には、アノード側では水素若しくはメタノール、カソード側では空気を用いることが、反応効率的にも実用的にも適している。
膜電極接合体の基本構成を図1に示す。本発明の膜電極接合体11は、酸化物半導体12と固体高分子電解質13と触媒14と担体15で構成されている。ここで、図1(a)は酸化物半導体、若しくは触媒担持酸化物半導体と、触媒の混合物を用いた例であり、図1(b)は酸化物半導体、若しくは触媒担持酸化物半導体と、触媒と担体、若しくは触媒担持担体の混合物を用いた例である。
上記燃料電池の構成の概略図を図5に示す。燃料電池が固体高分子電解質51、アノード触媒層52、カソード触媒層53、アノード側集電板54、カソード側集電板55、外部出力端子56、燃料導入ライン57、燃料排出ライン58、アノード側燃料拡散層59、カソード側燃料拡散層60から構成されている。触媒層表面の3相界面で化学反応が起こることで電力が発生する。
実施例1
本実施例は、酸化物半導体層である酸化亜鉛ワイヤをめっき法で作製し、その酸化亜鉛ワイヤ上に白金微粒子を設置し、固体高分子電解質を塗布しそれを転写することにより膜電極接合体を作製した例である。
これを用いて、燃料電池単セルの電流−電位特性を評価したところ、実施例は比較例の微粒子膜に比べて10%程度出力が向上した。これは、本発明の膜電極接合体により、三相界面を増大、ガス透過性を拡大することなどが可能となり、発電効率が向上したものと考える。
アノード側に80℃飽和水蒸気で加湿した水素を、カソード側に同様に加湿した空気を使用した。流量として、それぞれ200mL/分、600mL/分で供給し、作製した単セルを運転した。セル運転温度を80℃に設定し、発電評価及び交流インピーダンス測定を行い、その測定方法は、負荷に流す電流を変化させた場合の電圧変化及びIR変化を測定した。
本実施例は、酸化物半導体として酸化チタンワイヤを用いた例である。
先ず、平均径が0.13μm、平均長さが1.68μmである市販の酸化チタンワイヤ(FT−1000:石原産業)を準備する。この酸化チタンワイヤを、0.1Mヘキサクロロ白金(IV)酸塩の水溶液に浸し、その後300℃〜500℃程度で加熱することにより、白金担持酸化チタンワイヤを作製した。
比較例として、平均粒径が5nmの白金微粒子を用いて、同様に膜電極接合体を作製し、それを用いてセルとした。
本実施例は、テトラポッド状の酸化亜鉛を酸化物半導体層として用いた例である。
先ず、ワイヤ状短繊維長2〜50μm、ワイヤ状短繊維径(平均径)0.2〜3.0μmであるテトラポッド状の酸化亜鉛ワイヤ(パナテトラ:松下アムテック)を準備する。次に、ヘキサクロロ白金(IV)酸とクエン酸を溶解した液中に水素化ホウ素ナトリウムを溶解して、白金微粒子のスラリーを作製した。この溶液に酸化亜鉛ワイヤを浸し、その後溶媒を蒸発させて白金塩を表面に付着させた後に熱処理を施し、白金担持酸化亜鉛ワイヤを作製した。
この燃料電池用膜電極接合体を上記した製造方法と同様に、アノード側に水素、カソード側に空気を燃料として注入するセルを組み上げた。
これを用いて、燃料電池単セルの電流−電位特性を評価したところ、実施例は比較例の微粒子膜に比べて12%程度出力が向上した。これは、本発明の膜電極接合体により、三相界面を増大、ガス透過性を拡大することなどが可能となり、発電効率が向上したものと考える。
本実施例は、チューブ状の酸化チタンを酸化物半導体として用いた例である。
チタニアナノチューブの合成においては、ラウリルアミン塩酸塩(LAHC)/テトライソプロピルオルトチタネート(TIPT)−アセチルアセトン(ACA)系でのゾルーゲル法を用いた。まず、TIPTにACAを等モル量加える。次に、0.1Mに濃度を調整したLAHC水溶液(pH=4.5)をTIPT−ACA溶液に加えると、TIPTの加水分解により沈殿物が生成された。その後、撹拌することにより、黄色の透明溶液となり、353Kで保持し、完全な黄色のゲルとなった。さらに、353Kで数日間反応させた後、その試料を乾燥させた。乾燥試料を500℃で焼成することによりチタニアナノチューブの粉末試料を得た。
比較例として、平均結晶子径が3nmの白金微粒子を担持したカーボンを用いて、同様に膜電極接合体を作製し、それを用いてセルとした。
12 酸化物半導体
13 固体高分子電解質
14 微粒子
15 担体
31 ワイヤ
32 長辺の長さ
33 横切断面
34 重心
35 最大長さ
36 最外輪
37 短辺の長さ
41 基板
42 基板ホルダー
43 基板ヒータ
44 原料
45 るつぼ
46 電極
47 反応容器
48 ガス導入ライン
49 ガス排気ライン
51 固体高分子電解質
52 アノード触媒層
53 カソード触媒層
54 アノード側集電体
55 カソード側集電体
56 外部出力端子
57 燃料導入ライン
58 燃料排出ライン
59 アノード側燃料拡散層
60 カソード側燃料拡散層
61 参照極
62 対極
63 作用極
64 ビーカー
65 電解液
66 マントルヒーター
Claims (8)
- 少なくとも固体高分子電解質と、触媒と、ワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体を有することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
- 前記酸化物半導体は少なくともチタンを含有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用膜電極接合体。
- 前記触媒は、白金、白金を含む合金または白金を含む混合物であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用膜電極接合体。
- 前記酸化物半導体に触媒が担持されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの項に記載の燃料電池用膜電極接合体。
- 少なくとも固体高分子電解質と、触媒と、ワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体を有する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記触媒と、酸化物半導体と、固体高分子電解質溶液を混合してスラリーを得る工程と、前記スラリーを固体高分子電解質膜に設置する工程を含むことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 - 少なくとも固体高分子電解質と、触媒と、ワイヤ状またはチューブ状の酸化物半導体を有する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記酸化物半導体上に触媒を設置する工程と、前記触媒を設置した酸化物半導体と少なくとも固体高分子電解質を混合する工程を含むことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 - 前記酸化物半導体上に触媒を設置する工程は、コロイド法、共沈法または含浸法であることを特徴とする請求項6記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池用膜電極接合体を用いた燃料電池。
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