JP2007103378A - 燃料電池用バインダ、これを利用した触媒層形成用組成物、及びこれを利用した燃料電池用膜−電極接合体とその製造方法 - Google Patents

燃料電池用バインダ、これを利用した触媒層形成用組成物、及びこれを利用した燃料電池用膜−電極接合体とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池用膜−電極接合体で膜と電極との間の接着性を向上させて、セル稼動中に触媒層高分子が溶出することを防止し、高分子電解質膜に対する親和性が優れていて界面特性を向上させ、水素イオンの伝達率が優れており、特に触媒被毒現象を防止することのできる燃料電池用バインダを提供する。
【解決手段】本発明は、燃料電池用バインダ、これを含む触媒層形成用組成物、及びこれを利用した燃料電池用膜−電極接合体とその製造方法に関するものであり、前記膜−電極接合体は、互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極、及び前記アノード電極とカソード電極との間に位置する高分子電解質膜を含み、前記アノード電極とカソード電極のうちの少なくともいずれか一つは、電極基材、及びこの電極基材に形成され、架橋された構造の水素イオン伝導性基を有するバインダを含む触媒層からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子電解質膜と電極との間の接着力及びイオン交換容量が優れており、水素イオン伝導性と形態安定性が優れており、低い燃料透過度及びセルの長期安定性を向上させることができ、また、触媒の被毒現象を解決することのできる燃料電池用バインダとこれを利用した触媒層形成用組成物、及びこれを利用した燃料電池用膜−電極接合体とその製造方法に関するものである。
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素を燃料とし、酸素との化学反応のエネルギーを、直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
燃料電池の代表的な例としては、高分子電解質型燃料電池や直接酸化型燃料電池がある。直接酸化型燃料電池において、燃料としてメタノールを使用する場合は直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）という。
前記高分子電解質形燃料電池は、従来のエネルギー源を代替できる環境親和的なエネルギー源であって、出力密度及びエネルギー転換効率が高く、常温で作動が可能であり、小型化及び密閉化が可能であるので、無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装備の携帯用電源、軍事用装備などの分野で幅広く使用可能なものである。
高分子電解質形燃料電池は、エネルギー密度が大きいという長所を有しているが、水素ガスの取り扱いに注意を必要とし、燃料ガスである水素を生産するためには、メタンやメタノール及び天然ガスなどを改質するための燃料改質装置などの付帯設備を必要とするという問題点がある。
これに反し、直接酸化型燃料電池は、液体を燃料として使用する液体型燃料電池の特性、すなわち、気体型に比べてエネルギー密度は低いが、液体状態の燃料の取り扱いが容易であり、運転温度が低く、特に、燃料改質装置を必要としないという特性に起因して、小型及び汎用移動用電源として適したシステムと認められている。
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ）とセパレータ（または、二極式プレート）からなる単位セルが数個〜数十個積層された構造を有する。前記膜−電極接合体は、水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を隔ててアノード電極（別名、“燃料極”または“酸化電極”ともいう）とカソード電極（別名、“空気極”または“還元電極”ともいう）とが接着された構造を有する。
前記セパレータは、燃料電池の反応に必要な燃料をアノード電極に供給し、酸素をカソード電極に供給する通路の役割と、各膜−電極接合体のアノード電極とカソード電極とを直列に接続させる伝導体の役割とを同時に行う。この過程で、アノード電極では燃料の電気化学的な酸化反応が起こり、カソード電極では酸素の電気化学的な還元反応が起こり、この時に生成する電子の移動によって電気と熱、そして水を共に得ることができる。
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料電池用膜−電極接合体で膜と電極との間の接着性を向上させることにより、セル稼動中に触媒層高分子が溶出することを防止し、高分子電解質膜に対する親和性が優れること物質を使用することにより界面特性を向上させ、水素イオンの伝達率が優れており、特に触媒被毒現象を防止することが可能な、燃料電池用バインダを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記バインダを含み、水のような溶媒の使用が可能である触媒層形成用組成物を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、上記触媒層形成用組成物を利用した膜−電極接合体及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの架橋された高分子を含む燃料電池用バインダが提供される。
Figure 2007103378
Figure 2007103378
前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００であり、ｂは３〜１０，０００である。
また、上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの燃料電池用バインダが提供される。前記バインダは、下記の化学式１ａに示される化合物であることが好ましい。
Figure 2007103378
また、上記課題を解決するために、本発明の第３の観点によれば、前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される１種以上のバインダを含む触媒層形成用組成物が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の第４の観点によれば、前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を含む高分子電解質膜が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の第５の観点によれば、互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極と、前記アノード電極とカソード電極との間に位置する高分子電解質膜と、を含む燃料電池用膜−電極接合体が提供される。
ここで、アノード電極とカソード電極のうちの少なくともいずれか一つは、電極基材、及びこの電極基材に形成され、架橋された構造を有する上記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つのバインダを含む触媒層を含む。
または、上記本発明の膜−電極接合体で、触媒層が前記高分子電解質膜のいずれか一面に直接形成され、触媒層は、架橋された構造を有する上記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つのバインダを含む。
また、上記課題を解決するために、本発明の第６の観点によれば、上記触媒層形成用組成物を製造した後、電極基材にコーティングし、架橋してアノード電極とカソード電極を製造し、前記電極を、アノード電極とカソード電極との間に高分子電解質膜を位置させて接合させる工程を含む、燃料電池用膜−電極接合体の製造方法が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の第７の観点によれば、上記触媒層形成用組成物を製造した後、高分子電解質膜の少なくともいずれか一面にコーティングして架橋する工程を含む、燃料電池用膜−電極接合体の製造方法が提供される。
本発明によれば、膜−電極接合体の製造時、触媒層のバインダとして高分子電解質膜の高分子主鎖と構造が類似していたり、またはこれと親和性のある親水性高分子を利用することにより、水に基づいた水系工程が可能になり、触媒の被毒現象と環境問題を同時に解決することができる。また、架橋過程を通じて高分子樹脂と電極との間の接着力を向上させて、界面特性を向上させ、非フッ素系高分子の使用時に問題点として指摘されていた高分子の分解問題を避けることができる。また、本発明では、高分子のイオン交換容量が他の高分子に比べて高いので、触媒表面で生成する水素イオンが効果的に高分子電解質膜に伝達できる。したがって、燃料電池の性能を向上させることができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
従来の非フッ素系高分子を使用する膜−電極接合体は、下記の化学式３に示される炭化水素高分子を電解質膜として使用している。
Figure 2007103378
前記炭化水素高分子を電解質膜として用いた場合、燃料電池の初期性能はナフィオン膜と同等であるかまたは優れた性能を示している。前記高分子の構造で、現在までは親水性と疎水性の比（ｘ：ｙ）が１：１内外の場合に水素イオンの伝導度が高く、燃料電池性能が優れていると知られている。また、現在は、燃料電池用膜−電極接合体の触媒層のバインダ樹脂として、大部分フッ素系樹脂であるナフィオン高分子樹脂を使用している。
しかし、このようなナフィオン樹脂を前記非フッ素系膜−電極接合体の製造に応用すると、前記化学式３の高分子とナフィオンの界面の低い接着性により、燃料電池の寿命を短縮させるという問題点がある。また、前記化学式３の高分子は、分子内に親水性の部分以外に疎水性の部分も含むため、水やアルコールに対する溶解度が低く、その応用が制約的であるという問題がある。前記高分子は有機溶媒にのみ溶解して使用しているが、有機溶媒に溶解させて応用すると、熱処理の後にも有機溶媒が全て揮発されずに吸着していて触媒の被毒現象などが現れるので、各々の高分子電解質膜の材料によって異なる構造のバインダ樹脂が要求されるという問題点がある。
したがって、本発明は、前記従来の問題を解決するために、燃料電池用膜−電極接合体で高分子電解質膜と電極との間の接着性を向上させるために、前記非フッ素系炭化水素高分子電解質膜と材料が同一であるかまたはこれに類似した構造を有する親水性高分子を利用する特徴がある。
本発明で使用する高分子は、分子内に水素イオン伝導性基が置換されていて分子が親水性を帯びるので、水とアルコールなどに溶解が可能である。したがって、本発明は、親水性高分子を膜−電極接合体の製造時にバインダとして利用する場合、完全な水系（ｗａｔｅｒ ｂａｓｅ）の触媒層形成用組成物の製造が可能である。また、本発明は、水に基づいた工程を経るので触媒の被毒現象を防止することができ、環境問題も同時に解決できる特徴がある。
本発明は、前記触媒層形成用組成物を電極基材にコーティングするか、または高分子電解質膜に直接コーティングした後、高分子−触媒バインダ層の架橋処理過程を通じて高分子の架橋構造を形成させ、高分子電解質膜と電極との間の接着力を向上させることができる。図２は、本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造時、水素イオン伝導性基を有する非フッ素系バインダが電極基材または高分子電解質膜にコーティングされた後、架橋を通じて接着された形態を簡略に示したものである。図２で、符号１は電極基材または高分子電解質膜であり、２はバインダであり、３は触媒であり、４はバインダ同士で架橋されて連結された状態（接着状態）を示したものである。
また、本発明は、高分子と触媒層との間の架橋を通じて、コーティング後にも水に簡単に溶解しないシステムを成して、セルの可動中に触媒層の高分子が溶出することを防止することができる。また、触媒層のバインダ樹脂の主鎖が高分子電解質膜の主鎖と同一であって、従来のナフィオン電極層に比べて高分子電解質膜に対する親和性が高いので、セルの長期安定性に影響を与える界面特性を向上させることができる。また、本発明は、バインダ樹脂内のスルホン酸基のような水素イオン伝導性基の含有量が高いので、水素イオン伝導性が非常に大きく、イオン交換容量（ＩＥＣ：Ｉｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ）が他の高分子に比べて高い。
本発明の高分子は、イオン交換容量が少なくとも２．０内外であって、従来の０．９〜１．０のイオン交換容量を有するナフィオンに比べて非常に優れている。したがって、本発明は、触媒表面で生成する水素イオンを迅速かつ効果的に高分子電解質膜に伝達することができる。
また、バインダ樹脂と触媒層の構造が架橋されているので、従来の非フッ素系高分子で問題点として指摘されていた高分子の分解問題を避けることができる。
本発明は、下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を使用するのが好ましい。
Figure 2007103378
Figure 2007103378
前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００、好ましくは１〜１０，０００、より好ましくは１〜１０００であり、ｂは３〜１０，０００、好ましくは３〜１０００、より好ましくは３〜１００である。
本発明でアルキル基は、炭素数１〜２４のアルキルが好ましく、１〜７のアルキルがより好ましく、アリール基は炭素数６〜２４のアリールが好ましく、６〜１２のアリールがより好ましい。
好ましく、本発明は、前記化学式１及び化学式２に示される化合物の中で選択される少なくとも一つの架橋処理して得られた架橋された高分子を、燃料電池用バインダとして提供する。
また、本発明は、前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を燃料電池用バインダとして使用することもできる。
また、本発明は、前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を含む高分子電解質膜を提供することもできる。
本発明によれば、前記化学式１及び化学式２において、スルホン酸基を有する部分が少なくとも５０％以上、好ましくは６０％以上になって親水性を帯びる。より好ましく、本発明の化学式１及び化学式２に示される化合物の中で選択される高分子は、スルホン酸基で全て置換されて１００％親水性を有することもできる。
本発明の高分子は下記の化学式１ａに示されるのが好ましく、これは重合度が１００〜１０００程度であり、分子量は１万〜１０万程度である。
Figure 2007103378
前記化学式１及び化学式２に示される化合物の中で選択される高分子を、ポリアリレンのスルホン化反応を通じて製造することができる。また、本発明の高分子は、スルホン化反応、カルボキシル化反応、リン酸化反応、またはホスホニル化（ｐｈｏｓｐｈｏｎｙｌａｔｉｏｎ）などを含む親電子置換反応を通じて水素イオン伝導性基をさらに含むことができる。前記ポリアリレンは、ポリ（アリレンエーテルスルホン）、ポリ（アリレンエーテルケトン）、ポリ（アリレンエーテルエーテルスルホン）、ポリ（アリレンエーテルエーテルケトン）であるのが好ましい。
本発明でスルホン化反応を実施する条件は特に限定されないが、一例を挙げれば次の通りである。本発明は、非フッ素系高分子にスルホン酸基を導入する場合、非フッ素系高分子に硫酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、クロロ硫酸、クロロスルホン酸などの試薬を作用させてスルホン酸基で置き換えられる。スルホン酸基以外の水素イオン伝導性基を有する置換基を導入する場合にも反応条件は特に限定されず、通常の反応を通じて置換基を導入することができる。
また、本発明は、前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を燃料電池用バインダとして含み、触媒及びプロトン性溶媒を含む触媒層形成用組成物を提供する。
前記プロトン性溶媒は、水、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ブチルアルコール、ジメチルスルホキシド、及びこれらの混合物からなる群より選択して使用するのが好ましく、より好ましくは水を使用する。
本発明は、前記触媒層形成用組成物を利用して、燃料電池用膜−電極接合体を提供する。
より詳しくは、本発明の第１実施形態による燃料電池用膜−電極接合体は、互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極、及び前記アノード電極とカソード電極との間に位置する高分子電解質膜を含み、前記アノード電極及びカソード電極のうちの少なくともいずれか一つは、電極基材、及びこの電極基材に形成され、架橋された構造を有する前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つのバインダを含む触媒層を含む。
本発明の第２実施形態による燃料電池用膜−電極接合体は、互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極、及び前記アノード電極とカソード電極との間に位置する高分子電解質膜を含み、前記アノード電極及びカソード電極のうちの少なくともいずれか一つは、高分子電解質膜にコーティング形成され、前記化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つのバインダを含む触媒層を含む。
前記カソード電極とアノード電極は、電極基材及び触媒層で構成される。本発明の燃料電池で、カソード及びアノード電極は物質で区別されるわけではなく、その役割で区別されるわけであった。燃料電池用電極は、燃料（水素、メタノール、エタノール、ギ酸など）酸化用アノード、及び酸化剤（例えば、酸素（空気））の還元用カソードに区別される。したがって、本発明の燃料電池用触媒層は、カソード及びアノード電極に全て使用することができる。つまり、前記燃料電池の作動状態の一例を挙げれば、水素またはその他の燃料を前記アノード電極に供給し、酸化剤を前記カソード電極に供給して、アノード電極とカソード電極の電気化学反応によって電気を生成する。前記触媒層は、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｗ、及びＲｈからなる群より選択される１種以上の遷移金属）の中で選択される１種以上を含むのが好ましい。これらの中で、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、白金−コバルト合金、及び白金−ニッケル合金が好ましく用いられることができる。また、このような金属触媒は、金属触媒自体として用いることもでき、担体に担漬させて使用することもできる。この担体としては、アセチレンブラック、デンカブラック、活性炭素、ケッチェンブラック、黒鉛のような炭素を使用することもでき、またはアルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの無機物微粒子を使用することもできるが、一般的には炭素が幅広く使用されている。担体に貴金属を担漬させる工程は当該分野で広く知られた内容であるので、本明細書で詳しい説明を省略しても当該分野に務める当業者であれば容易に理解できる内容である。
前記電極基材は、電極を支持する役割を果たすと共に、触媒層へ反応源を拡散させて、触媒層に反応物が容易に接近できるようにする役割を果たす。前記電極基材は、拡散層として導電性基材を使用し、電極基材の代表的な例を挙げれば、炭素紙、炭素布、炭素フェルトまたは金属布（繊維状態の金属布で構成された多孔性のフィルム、または高分子繊維で形成された布の表面に金属フィルムが形成されたものをいう）が用いられるが、これらに限定されるわけではない。
また、前記電極基材は、フッ素系樹脂で撥水処理したものを使用したほうが、燃料電池の駆動時に発生する水によって反応物拡散効率が低下することを防止できるので好ましい。前記フッ素系樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレンプロピレン、ポリ三フッ化塩化エチレン、フルオロエチレンポリマー、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリペルフルオロアルキルビニルエーテル、ポリペルフルオロスルホニルフルオライドアルコキシビニルエーテルまたはこれらのコポリマーなどが用いられる。
また、反応物拡散効果を増進させるために、前記電極基材上に微細気孔層をさらに含むこともできる。この微細気孔層は、一般的に粒径の小さい導電性粉末、例えば、炭素粉末、カーボンブラック、アセチレンブラック、活性炭素、カーボンファイバー、フラーレンまたはカーボンナノチューブを含むことができる。前記微細気孔層は、導電性粉末、バインダ樹脂、及び溶媒を含む組成物を前記電極基材にコーティングして製造される。前記バインダ樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、セルロースアセテートなどが好ましく用いられ、前記溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ブチルアルコールなどのようなアルコール、水、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチルピロリドンなどが好ましく用いられる。コーティング工程は、組成物の粘性によってスクリーンプリンティング法、スプレーコーティング法またはドクターブレードを利用したコーティング法、グラビアコーティング法、ディップコーティング法、シルクスクリーン法、ペインティング法などが用いられるが、これらに限定されるわけではない。
前記高分子電解質膜は、本発明の化学式１及び化学式２に示される化合物の中で選択される少なくとも一つの高分子を含むか、または通常の非フッ素系膜高分子電解質膜またはフッ素系高分子電解質膜を使用することもできる。好ましい一例を挙げれば、前記非フッ素系高分子電解質としてはポリ（アリレンエーテルスルホン）が用いられる。また、フッ素系高分子電解質膜は、一般的な水素イオン伝導性が優れた高分子を使用することもできる。前記フッ素系水素イオン伝導性高分子には、水素イオン伝導性を有するものであればいずれのものでも使用可能であり、例えば、ポリ（ペルフルオロスルホン酸）（ＮａｆｉｏｎＴＭ、デュポン社）などのようなペルフルオロ系高分子などがある。
また、前記高分子電解質膜には、側鎖にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基、及びこれらの誘導体からなる群より選択される陽イオン交換基を有している高分子樹脂であれば全て使用可能である。前記高分子樹脂の例としては、ベンズイミダゾール系高分子、ポリエーテル系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリアミド系高分子、ポリフェニレンスルフィド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子、ポリエーテル−エーテルケトン系高分子、及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなる群より選択される１種以上を使用することもできる。前記一般的な水素イオン伝導性高分子の具体的な例としては、ポリ（ペルフルオロスルホン酸）、ポリ（ペルフルオロカルボン酸）、スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテル共重合体、脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン、アリールケトン、ポリ（２，２’−（ｍ−フェニレン）−５，５’−ビベンズイミダゾール）、ポリ（２，５−ベンズイミダゾール）などを１種以上選択して使用することができるが、これらに限定されるわけではない。前記高分子膜は、１０〜２００μｍの厚さを有することができる。
本発明で、前記第１実施形態による燃料電池用膜−電極接合体の製造方法は、触媒層形成用組成物を電極基材にコーティングし、架橋する工程を通じて電極を製造し、これをカソードとアノードの少なくともいずれか一つとして使用して高分子電解質膜の間に位置させ、接合して膜−電極接合体を製造する工程を含む。
また、本発明の前記第２実施形態による膜−電極接合体の製造方法は、触媒層形成用組成物を高分子電解質膜の少なくともいずれか一面に直接コーティングし、架橋する工程を通じて製造することができる。
前記架橋方法は、コーティング膜にプラズマ、ＵＶまたはガンマ線（γ−ｒａｙ）などの方法でコーティング膜に照射して、高分子電解質膜と触媒層のバインダ樹脂との間の部分架橋または全体架橋を実施することができる。前記架橋過程では、必要に応じて通常のＵＶ架橋剤を添加することもできる。例えば、架橋剤は、クロロベンゾフェノン、アルコキシベンゾフェノンなどがある。
また、本発明による膜−電極接合体を含む燃料電池システムは、少なくとも一つの電気発生部、燃料供給部、及び酸化剤供給部を含む。
前記電気発生部は、前記第１実施形態及び第２実施形態のうちの少なくともいずれか一つの方法で得られた、膜−電極接合体とセパレータを含む。前記膜−電極接合体は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に存在するカソード及びアノード電極とを含む。前記電気発生部は、燃料の酸化反応と酸化剤の還元反応を通じて電気を発生させる役割を果たす。
前記燃料供給部は、燃料を前記電気発生部に供給する役割を果たし、前記酸化剤供給部は、酸化剤を前記電気発生部に供給する役割を果たす。本発明において、燃料としては、気体または液体状態の水素または炭化水素燃料を含むことができる。前記炭化水素燃料の代表的な例には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールまたは天然ガスが挙げられる。前記酸化剤としては、酸素または空気を使用することができる。
本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略的な構造を図１に示しており、これを参照してより詳細に説明する。図１の構造は、燃料及び酸化剤をポンプを使用して電気発生部に供給するシステムを示したが、本発明の燃料電池システムがこのような構造に限定されるわけではなく、ポンプを用いず、拡散方式を利用する燃料電池システムの構造に使用することもできることは当然である。
本発明の燃料電池システム１００は、燃料と酸化剤の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部１９を有するスタック７と、前記燃料を供給する燃料供給部１と、酸化剤を電気発生部１９に供給する酸化剤供給部５とを含んで構成される。
また、前記燃料を供給する燃料供給部１は、燃料を貯蔵する燃料タンク９と、燃料タンク９に連結設けられる燃料ポンプ１１とを備える。前記燃料ポンプ１１は、所定のポンピング力によって、燃料タンク９に貯蔵された燃料を排出させる機能をする。
前記スタック７の電気発生部１９に酸化剤を供給する酸化剤供給部５は、所定のポンピング力によって酸化剤を吸入する少なくとも一つのポンプ１３を備える。
前記電気発生部１９は燃料を酸化反応させ、酸化剤を還元反応させる膜−電極接合体２１と、この膜−電極接合体の両側に燃料と酸化剤を供給するためのセパレータ２３、２５とで構成される。
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例にすぎず、本発明は下記の実施例に限定されるわけではない。
（実施例１）
ポリ（アリレンエーテルスルホン）１０ｇを発煙硫酸５０ｍｌに入れ、室温で７時間スルホン化反応を進行させて、スルホン酸基が置換された前記化学式１ａの炭化水素系高分子を製造した。
（実施例２）
Ｅ−ｔｅｋで商業用として販売している電極に（アノード：Ｐｔ／Ｒｕ４ｍｇ／ｃｍ２、カソード：Ｐｔ４ｍｇ／ｃｍ２）、前記実施例１のスルホン酸基を含む高分子及び分散媒として水５００ｇを混合してコーティングし、プラズマで架橋処理して燃料電池用電極を製造した。
この方法で製造された電極をカソード及びアノード電極にし、前記カソード及びアノード電極の間にポリ（アリレンエーテルスルホン）を高分子電解質膜として位置させ、積層した後に熱間接合して、膜−電極接合体を製造した。
前記製造された膜−電極接合体を２枚のガスケットの間に挿入した後、一定の形状の気体流路チャンネルと冷却チャンネルが形成された２個のセパレータに挿入し、銅エンドプレートの間でプレスして、単位セルを製造した。
（実施例３）
イソプロピルアルコール、バインダ高分子、触媒で形成された触媒層形成用組成物を、炭素紙にコーティングせずに高分子電解質膜に直接コーティングした後で架橋することを除いては、前記実施例２と同一の方法で実施して単位セルを製造した。
（比較例１）
電極製造時、バインダ樹脂として、本発明の高分子の代わりにポリ（ペルフルオロスルホン酸）（ＮａｆｉｏｎＴＭ、デュポン社）（ｎａｆｉｏｎ１１５）を使用したことを除いては、前記実施例２と同一の方法で実施した。
（比較例２）
電極製造時、バインダ樹脂として、本発明の水溶性高分子の代わりにポリ（アリレンエーテルスルホン）を使用したことを除いては、前記実施例２と同一の方法で実施した。
（実験例）
前記実施例２、３及び比較例１の燃料電池に対し、通常の方法で電流密度−電圧（Ｉ−Ｖ）を測定し、１０００時間後のイオン交換容量（ＩＥＣ）の結果を表１に示した。
Figure 2007103378
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明の燃料電池用膜−電極接合体を含む燃料電池システムを概略的に示した説明図である。 本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造時、水素イオン伝導性基を有する非フッ素系バインダが架橋された状態を簡略的に示した説明図である。
符号の説明
１ 燃料供給部
５ 酸化剤供給部
７ スタック
９ 燃料タンク
１１ 燃料ポンプ
１３ ポンプ
１９ 電気発生部
２１ 膜−電極接合体
２３、２５ セパレータ
１００ 燃料電池システム

Claims (29)

  1. 下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの架橋された高分子を含むことを特徴とする、燃料電池用バインダ。
    Figure 2007103378
    Figure 2007103378
     前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、
    ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、
    ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００であり、ｂは３〜１０，０００である。
  2. 前記高分子は、下記の化学式１ａに示される化合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用バインダ。
    Figure 2007103378
  3. 前記架橋は、プラズマ、ＵＶ、またはガンマ線の照射によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用バインダ。
  4. 前記化学式１及び化学式２に示される化合物は、ポリアリレン化合物のスルホン化反応を通じて得られるものである、請求項１に記載の燃料電池用バインダ。
  5. 下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を含むことを特徴とする、燃料電池用バインダ。
    Figure 2007103378
    Figure 2007103378
     前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、
    ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、
    ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００であり、ｂは３〜１０，０００である。
  6. 前記バインダは、下記の化学式１ａに示される化合物を含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用バインダ。
    Figure 2007103378
  7. 下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を含む燃料電池用バインダを備えることを特徴とする、触媒層形成用組成物。
    Figure 2007103378
    Figure 2007103378
     前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、
    ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、
    ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００であり、ｂは３〜１０，０００である。
  8. 前記バインダは、下記の化学式１ａに示される化合物を含むことを特徴とする、請求項７に記載の触媒層形成用組成物。
    Figure 2007103378
  9. 前記触媒層形成用組成物は、触媒及びプロトン性溶媒をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の触媒層形成用組成物。
  10. 前記プロトン性溶媒は、水、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ブチルアルコール、及びジメチルスルホキシドからなる群より選択される１種以上であることを特徴とする、請求項９に記載の触媒層形成用組成物。
  11. 前記触媒は、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｗ、及びＲｈからなる群より選択される１種以上の遷移金属）からなる群から選択される１種以上であることを特徴とする、請求項９に記載の触媒層形成用組成物。
  12. 下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの高分子を含むことを特徴とする、高分子電解質膜。
    Figure 2007103378
    Figure 2007103378
     前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、
    ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、
    ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００であり、ｂは３〜１０，０００である。
  13. 前記高分子は、下記の化学式１ａに示される化合物であることを特徴とする、請求項１２に記載の高分子電解質膜。
    Figure 2007103378
  14. 前記高分子電解質膜は、フッ素系高分子を含む電解質膜であることを特徴とする、請求項１２に記載の高分子電解質膜。
  15. 前記高分子電解質膜は、非フッ素系高分子を含む電解質膜であることを特徴とする、請求項１２に記載の高分子電解質膜。
  16. 互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極、及び前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置する高分子電解質膜を含み、
    前記アノード電極と前記カソード電極のうちの少なくともいずれか一つは、
    電極基材と、
    前記電極基材に形成され、下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの架橋された高分子を含む触媒層と、
    を含むことを特徴とする、燃料電池用膜−電極接合体。
    Figure 2007103378
    Figure 2007103378
     前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、
    ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、
    ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００であり、ｂは３〜１０，０００である。
  17. 前記高分子は、下記の化学式１ａに示される化合物を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
    Figure 2007103378
  18. 前記触媒層は、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｗ、及びＲｈからなる群より選択される１種以上の遷移金属）からなる群から選択される１種以上の触媒を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
  19. 前記高分子電解質膜は、フッ素系高分子を含む電解質膜であることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
  20. 前記高分子電解質膜は、非フッ素系高分子を含む電解質膜であることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
  21. 互いに対向して位置するアノード電極とカソード電極、及び前記アノード電極と前記カソード電極との間に位置する高分子電解質膜を含み、
    前記アノード電極と前記カソード電極のうちの少なくともいずれか一つは、前記高分子電解質膜のいずれか一面に形成され下記の化学式１及び化学式２に示される化合物からなる群より選択される少なくとも一つの架橋された高分子を含む触媒層を含むことを特徴とする、燃料電池用膜−電極接合体。
    Figure 2007103378
    Figure 2007103378
     前記式で、Ａ、Ｂ、及びＣは、各々独立的に、酸素、硫黄、ＳＯ、カルボニル基、またはスルホニル基であり、
    ｘ、ｙ、及びｚは、各々独立的に、１〜１０の整数であり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、各々独立的に、水素、ハロゲン原子、アルキル基、アリル基、アリール基、アルキルリン酸基、アルキルスルホン酸基、少なくとも一つの水素がフッ素で置換されたフルオロアルキルスルホン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホニン酸基またはこれらの誘導体であり、
    ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、及びｎは、各々独立的に１〜３であり、ａは１〜１００，０００であり、ｂは３〜１０，０００である。
  22. 前記高分子は、下記の化学式１ａで示される化合物であることを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
    Figure 2007103378
  23. 前記触媒層は、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（Ｍは、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｗ、及びＲｈからなる群より選択される１種以上の遷移金属）からなる群から選択される１種以上の触媒を含むことを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
  24. 前記高分子電解質膜は、フッ素系高分子を含む電解質膜であることを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
  25. 前記高分子電解質膜は、非フッ素系高分子を含む電解質膜であることを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池用膜−電極接合体。
  26. 請求項７〜１１のうちのいずれか一項に記載の触媒層形成用組成物を製造した後、電極基材にコーティングし、架橋して電極を製造し、前記電極をアノード電極とカソード電極とに分けた後、その間に高分子電解質膜を位置させて接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。
  27. 前記架橋は、プラズマ、ＵＶ、またはガンマ線の照射によって行われることを特徴とする、請求項２６に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
  28. 請求項７〜１１のうちのいずれか一項に記載の触媒層形成用組成物を製造し、高分子電解質膜の少なくともいずれか一面にコーティングして架橋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。
  29. 前記架橋は、プラズマ、ＵＶ、またはガンマ線の照射によって行われることを特徴とする、請求項２８に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
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