JP3797226B2 - 燃料電池用電解質膜構成体 - Google Patents

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。
【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。
【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。
【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１１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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、０．２〜５ｎｍ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、白金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、双方が複数形成されるとともに、前記構成成分の膜、前記塗布膜の順で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、他の元素との混合体の構成もある。なお、電解質膜上へのこれらの構成成分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。
【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。
【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。
【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。
【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２４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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【図３】燃料電池の機能原理を示す説明図。
【符号の説明】
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 (3)

1. 固体高分子電解質膜上に白金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、スパッタリングまたは蒸着によって形成された前記構成成分の膜の複数と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の複数が、前記構成成分の膜、前記塗布膜の順で交互に積層された積層体から構成されていることを特徴とする燃料電池用電解質膜構成体。
2. 前記構成成分の膜が０．２〜５ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用電解質膜構成体。
3. 前記構成成分の膜がルテニウムを添加した白金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用電解質膜構成体。

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