JP6721952B2 - 燃料電池及び電解質膜として用いられるナノセルロース膜 - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池及び燃料電池等の装置の電解質膜（イオン交換膜）として用いるのに適したナノセルロース膜に関する。
固体高分子電解質膜形燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ）（固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）とも呼ばれる）などの燃料電池は効率及び電力密度が高く、また、水素を燃料として用いた場合には排ガスは水だけであるため、将来の有望なエネルギー供給技術である。
現在、ＰＥＭＦＣの主たる商業的用途は、静止型家庭用コジェネレーションシステム及び燃料電池車である。ナフィオン（E.I. du Pont de Nemours & Co., Inc.の登録商標）はその高いプロトン伝導度（greater than 0.1 S/cm）、良好な機械的特性及び優れた化学的安定性により、ＰＥＭＦＣで群を抜いてよく用いられる高分子電解質膜となっている。ほとんど全ての自動車メーカはそれらの燃料電池車用にナフィオンベースのＰＥＭＦＣに注目している。
しかしながら、ナフィオンのプロトン伝導度は水和に強く依存し、１００°Ｃを超える温度では、その機械的安定性が大幅に低下する。ナフィオンベースのＰＥＭＦＣの別の大きな問題は、燃料のクロスオーバ（ナフィオン膜を通じてアノードからカソードへ燃料が移動し、酸素と直接反応）が大きいことである。クロスオーバの程度は動作温度の上昇と共に増大し、ＰＥＭＦＣの性能及び効率に大きく影響する（特に直接メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）で影響するが、水素燃料ＰＥＭＦＣでも影響がある）。また、ナフィオンは極めて高価であり（現在、約２，４００ＵＳＤ／ｍ２）、触媒と共に、燃料電池のコストの増加を招いている。更に、ナフィオンは生分解性でなく、フッ素を含んでおり、そのため、使用後に処分する際、特殊な処理を必要とする。このことも、燃料電池の全体的なコスト（ライフサイクルコスト）の増加につながる。
従って、燃料電池の電解質として用いることができ、安価で、生分解性で、高温で安定した材料が強く求められている。
セルロースは地球上で最も多量に存在する有機高分子として知られている。図１に模式的に示すように、セルロース分子は結合された糖分子の長鎖からなり、複数のセルロース分子鎖によってミクロフィブリルと呼ばれる繊維が形成される。より詳細には、水素結合により結合された数十本のセルロース分子がエレメンタリーフィブリルと呼ばれる直径約３〜４ｎｍの繊維を形成し、エレメンタリーフィブリルが数〜数十本束になってセルロースミクロフィブリルを形成する。エレメンタリーフィブリルは、セルロース分子が結晶をなす結晶領域とセルロース分子がアモルファス状態にあるアモルファス領域とを含む。植物細胞の細胞壁はその構造要素として絡まり合ったミクロフィブリルを含む。工業用のセルロースは主として木材パルプやコットンから得られる。
セルロースミクロフィブリル及びエレメンタリーフィブリルは直径約１乃至１００ｎｍと非常に細く、そのため、しばしばナノセルロースと呼ばれる。ナノセルロースにはいくつか種類があり、それらにはセルロースナノファイバー（Cellulose Nano Fiber：ＣＮＦ）及びセルロースナノクリスタル（Cellulose Nano Crystal：ＣＮＣ）が含まれる。ＣＮＣはナノウィスカー（Cellulose Nano Whisker：ＣＮＷ）あるいはナノ結晶セルロース（Nano Crystalline Cellulose：ＮＣＣ）とも呼ばれている。
ＣＮＦは、木材、コットン等のセルロースを含む材料からリグニン等のマトリックス物質を除去することによって得られるナノサイズのセルロース繊維であり、長さは数十マイクロメートルである。図２はＣＮＦの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。図２において、ナノメートルのスケール（即ち、濃淡）はナノ繊維の高さを示す。
ＣＮＣはＣＮＦを例えばＨ２ＳＯ４で処理することによりＣＮＦを酸加水分解することによって得られ、長さは約１５０乃至１０００ｎｍである。図３に模式的に示すように、ＣＮＣでは、アモルファス領域は除去され、水素結合により結合されたセルロース分子が結晶をなしている。図４はＣＮＣのＡＦＭ画像である。図からわかるように、ＣＮＣはＣＮＦよりサイズが小さく、より稠密である。
ナノセルロースは豊富に存在し、非常に安価である（現在、約１００ＵＳＤ／ｋｇ）。また、セルロースは安全である。即ち、生分解性であり有毒成分を含まない。そのため、安全に処分するのが容易である。また、セルロースは高温（約３００°Ｃ程度まで）でも安定である。このような理由により、セルロースを電気化学の用途に用いる試みがなされている。
例えば、特許文献１には、正極と金属リチウムあるいはリチウム合金からなる負極とがセパレーターを介して対向配置された非水電解液二次電池であって、該セパレーターは最大繊維径が５０ｎｍより小さいセルロースナノ繊維から形成されていることを特徴とする非水電解液二次電池が開示されている。このような電池はリチウムイオン電池として知られており、この種の電池における主たる電荷キャリアはＬｉ＋である。セパレーターの空隙率は１５％以上、より好ましくは２０％以上であって９０％以下、より好ましくは８０％以下である。特許文献１には、セパレーターの空隙率が小さすぎるとイオン透過性が小さくなることがあり、また空隙率が大きすぎるとセパレーターの強度が不足することがある旨記載されている。特許文献１のセパレーターフィルムは、１〜１００μｍの厚さを有することが好ましく、より好ましくは５〜７０μｍ、最も好ましくは１０〜５０μｍの厚さを有する。特許文献１の記載は、セルロースナノファイバーから形成されたフィルムまたは膜を非水電解液二次電池のセパレーターとして使用することに限られており、特許文献１にはセルロースナノファイバー膜を燃料電池に用いることは何ら記載されていない。
特許文献２には、従来の燃料電池電極として用いられているカーボン紙の代わりとなり得るセルロース電極が開示されている。この文献に記載されたセルロース電極の製造方法は、セルロース繊維を所定長さに切断し繊維を束ねる、または、直接繊維を織ることによりセルロースシートを生成し、セルロースシート上に直接カーボンナノチューブを成長させ、化学蒸着によりカーボンナノチューブの表面上にプラチナナノ触媒を担持させる工程を含む。このように、特許文献２にはセルロース繊維を燃料電池の電極の形成に用いることは教示されているが、ナフィオンベースのＰＥＭＦＣに関する上記した問題を解決するための教示はない。
特許文献３には、触媒反応活性の増大を最大化するための多孔性触媒担体及びこれを用いてナノ金属担持触媒を作製する方法が開示されている。この方法は、セルロース繊維を裂いて触媒担体を作製し、作製された触媒担体上にカーボンナノチューブを成長させ、カーボンナノチューブが成長した触媒担体上にナノ金属触媒を担持させる工程を含む。このように、特許文献３にはセルロース繊維を触媒担体に用いることは教示されているが、ナフィオンベースのＰＥＭＦＣに関する上記した問題を解決するための教示はない。
特許文献４には、セルロースマトリックスとセルロースマトリックスに組み込まれた電気伝導性の炭素質材料とを含む電気伝導性セルロース複合体が開示されている。この複合体は、燃料電池の膜電極アセンブリなどに用いられる電極を形成することができる。しかしながら、特許文献４にはナフィオンベースのＰＥＭＦＣに関する上記した問題を解決するための教示はない。
このような従来技術の問題に照らし、本発明の主たる目的は、高温でも機械的に安定しており、クロスオーバーが少なく、安価で、環境への影響を低減しつつ容易に処分することができる燃料電池を提供することである.
本発明の第２の目的は、燃料電池等の装置において電解質膜として用いるのに適したナノセルロース膜を提供することである。
本発明の一側面によると、上記課題は、電解質膜としてナノセルロース膜を含む燃料電池を提供することにより達成することができる。このナノセルロース膜は、セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）、セルロースナノクリスタル（ＣＮＣ）、またはセルロースナノファイバーとセルロースナノクリスタルの組み合わせで構成されたものであってよい。
これにより、高温でも機械的に安定しており、クロスオーバーが少なく、安価で、環境への影響を低減しつつ容易に処分することができる燃料電池を提供することができる。
好適には、ナノセルロース膜は１乃至１００μｍの厚さを有する。それにより、高いイオン伝導度と高いガスバリア特性の両方を達成することができる。１μｍより薄いとガスクロスオーバーが無視できなくなり、１００μｍより厚いと電池抵抗が許容できないくらいに大きくなる。
一実施形態では、ナノセルロース膜に酸基（例えば、限定するものではないが、スルホン酸基（ＳＯ３Ｈ）、ホスホノ基（ＰＯ３Ｈ２）或いはカルボキシル基（ＣＯＯＨ））が結合している。好ましくは、酸基はスルホン酸基を含む（即ち、ナノセルロース膜はスルホン化されている）。このようにナノセルロース膜を改質することにより、ナノセルロース膜のイオン伝導度が向上する.
本発明の別の側面によると、電解質膜として用いられるナノセルロース膜であって、前記ナノセルロース膜に酸基が結合していることを特徴とするナノセルロース膜が提供される。好ましくは、酸基はスルホン酸基を含む。このように改質されたナノセルロース膜は高いイオン（プロトン）伝導度を示し、燃料電池等の様々な装置の電解質膜として好適に用いることができる。
本発明の一側面に基づく燃料電池は、高温でも機械的に安定しており、クロスオーバーが少なく、安価で、環境への影響を低減しつつ容易に処分することができる。本発明の別の側面に基づくナノセルロース膜は、高いイオン（プロトン）伝導度を示し、燃料電池等の様々な装置の電解質膜として用いるのに適している。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図５は、本発明の実施形態に係る燃料電池を示す模式図である。この燃料電池１は、電極（アノード３及びカソード４）の間に配置されたナノセルロースで形成された膜または紙（以下、ナノセルロース膜２と云う）を有する。電極３、４は任意の従来の電極であってよいが、例えば、触媒インクを作製しこの触媒インクをナノセルロース膜２の両面に吹き付けることで形成することができる。触媒インクは、例えば、Ｐｔ／Ｃ電気触媒（田中貴金属工業株式会社、４６．２ｗｔ％Ｐｔ）をナフィオン（株式会社トクヤマ）及びエタノール（Chameleon）と混合することで調製することができる。燃料電池１は更に、それぞれの電極３、４の外側に配置された一対のガス拡散層５、６を有する。ガス拡散層５、６の各々は、例えば、カーボンペーパから形成することができる。
上記のように構成した燃料電池１では、燃料電池１のアノード側に供給された水素は電子を放出し正イオン（プロトン）となり、ナノセルロース膜２を通ってカソード４へと移動する。放出された電子は外部回路（負荷）７を通ってカソード４へと移動し、電流を生成する。カソード４において、カソード４に供給された酸素がプロトン及び電子と反応し水を生成する。このように、この燃料電池１では、ナノセルロース膜２は燃料電池１の電解質膜として働く。
本発明の発明者は、約２１乃至約２９μｍの厚さを有する薄いナノセルロース膜は高いプロトン伝導度（後に詳述するように、約１００°Ｃにおいて約０．０５乃至２．０ｍＳ／ｃｍ）を示す一方、電子は通過させず、燃料電池の電解質として用いることができることを見出した。ナノセルロースのプロトン伝導は、図６に模式的に示すように、（Ａ）グロータス機構（Grotthuss Mechanism）による水を介したプロトン移送（プロトンは水分子間の水素結合の密なネットワークを介して移送される）、（Ｂ）ビークル機構（Vehicle Mechanism）（プロトンはＨ３Ｏ＋の一部として水中を移送される）、及び／または（Ｃ）表面ホッピング（セルロース高分子の酸素官能基に沿ったホッピングによる移送）、に基づくと考えられる。表面ホッピングでは、プロトンは水分子を橋渡しとして官能基から別の官能基へと移送されることがある。
ナノセルロース膜は非常に安価であり（現在、約１００ＵＳＤ/ｋｇ）、高温（例えば約３００°Ｃ）でも機械的に安定しており、生分解性であり有毒成分を含まない。従って、このようなナノセルロース膜を用いて作製された燃料電池は低コストで作製することができ、高温でも機械的に安定しており、環境への影響を低減しつつ容易に処分することができる。
また、ナノセルロース膜は高いガスバリア特性を有する。図７は、ナノセルロース膜としてのＣＮＦ膜、ＣＮＣ膜及びホットプレスＣＮＣ（ＣＮＣ−ＨＰ）膜の水素透過率をナフィオン膜と比較して示すグラフである。水素透過率試験で用いたＣＮＦ、ＣＮＣ、ＣＮＣ−ＨＰ及びナフィオン膜は３２乃至５４μｍであった（ナフィオン５０μｍ、ＣＮＦ５４μｍ、ＣＮＣ３２μｍ、及びＣＮＣ−ＨＰ３４μｍ）。水素透過率は、試験した各膜の単位厚さに対する各膜を通過する水素の量を示し、従って、理想的には試験される膜の厚さに依存しない。図７に示されるように、ＣＮＦ、ＣＮＣ及びＣＮＣ−ＨＰの各々の水素透過率はナフィオンよりも約３桁低かった。従って、電解質膜としてナノセルロース（ＣＮＦまたはＣＮＣ）膜を用いる燃料電池の燃料クロスオーバーは、ナフィオンベースの燃料電池と比べて大幅に低減することができる。このことは、より薄い電解質膜、従って、より薄い燃料電池の実現に貢献する。尚、高いガスバリア特性のため、ナノセルロースを水素タンク、パイプ等において環境にやさしく安価なコーティング材として用い、水素ガスとの接触により生じ得るそれらの脆化を防止することができる。
（例）
以下の例は本発明の例示を意図としたもので、限定的に解釈されるべきではない。
以下の例は本発明の例示を意図としたもので、限定的に解釈されるべきではない。
各例で得られたサンプル膜のイオン伝導度（ｍＳ／ｃｍ）を、以下のようにして得た。
厚み方向（through-plane）イオン伝導度を、インピーダンスアナライザ（Solartron 1260A）と共に膜試験装置（Scribner Associates Inc. MTS 740）を用いて特定した。１０×３０ｍｍ２の大きさの約２１μｍ（ＣＮＦ）或いは約２９μｍ（ＣＮＣ）といった厚さの膜について、２電極／４端子（後者はリード線抵抗を低減するため）の設定で、１０ｍＶのＡＣ振幅とし、３０ＭＨｚ乃至１０Ｈｚの周波数範囲で測定を行った。ガス拡散電極（E-TEK、高温用ELAT、140E-W、１８×５ｍｍ２）を導電性カーボン塗料（SPI Supplies、コロイド状グラファイト、Part #05006-AB）を用いて白金電極に取着し、電極間にナノセルロース膜のサンプルを配置した。良好な電極の接触を得るため１．０７４ＭＰａの圧力でセルの圧縮を行った。そして、１０００％の相対湿度（ＲＨ）で、３０°Ｃから１２０°Ｃに渡ってインピーダンスを測定した（９０°Ｃにおいて１００％から０％へと相対湿度の等温変化を行った）。得られた膜抵抗Ｒ（Ω）、厚さＬ（ｃｍ）及び重なり合う電極間の有効測定面積Ａ（０．５５ｃｍ２）から、伝導度（通常ギリシャ文字σで表す）を以下の式を用いて算出した。
σ＝Ｌ／（Ｒ・Ａ）
σ＝Ｌ／（Ｒ・Ａ）
（例１：セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）燃料電池）
例１では、電解質膜としてＣＮＦ膜を用いて燃料電池を作製した。ＣＮＦ膜は以下のようにして作製した。米国メイン大学から購入したＣＮＦスラリー１００．２ｇ（乾燥質量約３ｇ）を５００ｍｌの水と混合し、室温で２４時間攪拌した。得られた分散液をミリポアフィルタ（Millipore filter）上に真空ろ過し、その後２０分ホットプレスした（１１０°Ｃ、１．１ＭＰａ）。ＣＮＦ膜は容易にフィルタから剥がれ、自立した可撓性のある膜が得られた。用いるＣＮＦ分散液の量を変えることで所望の膜厚を得ることができる。例えば、ＣＮＦ分散液６ｍｌを用いた場合、ＣＮＦ膜は約３０μｍの厚さとなった。
例１では、電解質膜としてＣＮＦ膜を用いて燃料電池を作製した。ＣＮＦ膜は以下のようにして作製した。米国メイン大学から購入したＣＮＦスラリー１００．２ｇ（乾燥質量約３ｇ）を５００ｍｌの水と混合し、室温で２４時間攪拌した。得られた分散液をミリポアフィルタ（Millipore filter）上に真空ろ過し、その後２０分ホットプレスした（１１０°Ｃ、１．１ＭＰａ）。ＣＮＦ膜は容易にフィルタから剥がれ、自立した可撓性のある膜が得られた。用いるＣＮＦ分散液の量を変えることで所望の膜厚を得ることができる。例えば、ＣＮＦ分散液６ｍｌを用いた場合、ＣＮＦ膜は約３０μｍの厚さとなった。
ＣＮＦ膜のイオン伝導度（プロトン伝導度）を、１００％のＲＨにおいて、３０から１２０°Ｃに渡って測定した（９０°Ｃにおいて１００％から０％へと相対湿度の等温変化を行った）。イオン伝導度は、温度の上昇と共に大きく上昇し（図８Ａ）、また、湿度の上昇と共に上昇した（図８Ｃ）。最も高い伝導度は１００°Ｃにおいて約０．０５ｍＳ／ｃｍであった。活性化エネルギーは０．２１ｅＶであった（図８Ｂ）。また、図８Ｃでは明示されていないが、イオン伝導度は、ＲＨの増加と共に約３桁増加した（約７．７×１０−５ｍＳ／ｃｍから約４×１０−２ｍＳ／ｃｍ）。
そして、上記のように作製したＣＮＦ膜（３２μｍ厚）を用いて膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を作製した。プラチナ修飾したカーボンブラック電気触媒（田中貴金属工業株式会社、４６．２ｗｔ％Ｐｔ）をナフィオン（株式会社トクヤマ）及びエタノール（Chameleon）と混合することにより形成された触媒インクをマスクを用いてスプレー装置（ノードソン株式会社製スプレー装置C-3J）でＣＮＦ膜上にスプレーし、ＣＮＦ膜の両面に０．５ｃｍ２の大きさの電極を形成した。各電極の触媒充填量は０．３ｍｇＰｔ／ｃｍ２であった。ガス拡散層（ＧＤＬ）として働くようにカーボンペーパー（EC-TP1-060T）を各電気触媒層にホットプレスした。これにより、セルロースナノファイバー膜電極アセンブリ（ＣＮＦ−ＭＥＡ）が形成された。
作製したＣＮＦ−ＭＥＡを単一セル試験ホルダ（１ｃｍ２）内に配置し、自家製の燃料電池試験装置に設置した。こうして得られた燃料電池をオーブン内に入れ、８０°Ｃに加熱した。水素と空気を１００ｍｌ／分及び９５％のＲＨで流し、セルの性能をポテンショスタット（Solartron SI 1287）を用いて調べた。その結果、開放電圧は０．９７Ｖであり、最大電力密度は１．７５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において０．７９ｍＷ／ｃｍ２であった（図９）。このように、例１では、電解質としてＣＮＦ膜を用いた燃料電池が得られた。
（例２：セルロースナノクリスタル（ＣＮＣ）燃料電池）
例２では、電解質膜としてＣＮＣ膜を用いて燃料電池を作製した。ＣＮＣ膜は以下のようにして作製した。米国メイン大学から購入したＣＮＣスラリー５２．８９ｇ（乾燥質量約６ｇ）を５００ｍｌの水と混合し、室温で２４時間攪拌した。得られた分散液をミリポアフィルタ（Millipore filter）上に真空ろ過し、その後室温で乾燥した。ＣＮＣ膜は容易にフィルタから剥がれ、自立した、しかし脆い（brittle）膜が得られた。用いるＣＮＣ分散液の量を変えることで所望の膜厚を得ることができる。例えば、ＣＮＣ分散液４．５ｍｌを用いた場合、ＣＮＣ膜は約３０μｍの厚さとなった。
例２では、電解質膜としてＣＮＣ膜を用いて燃料電池を作製した。ＣＮＣ膜は以下のようにして作製した。米国メイン大学から購入したＣＮＣスラリー５２．８９ｇ（乾燥質量約６ｇ）を５００ｍｌの水と混合し、室温で２４時間攪拌した。得られた分散液をミリポアフィルタ（Millipore filter）上に真空ろ過し、その後室温で乾燥した。ＣＮＣ膜は容易にフィルタから剥がれ、自立した、しかし脆い（brittle）膜が得られた。用いるＣＮＣ分散液の量を変えることで所望の膜厚を得ることができる。例えば、ＣＮＣ分散液４．５ｍｌを用いた場合、ＣＮＣ膜は約３０μｍの厚さとなった。
ＣＮＣ膜のイオン伝導度（プロトン伝導度）を、１００％のＲＨにおいて、３０から９０°Ｃに渡って測定した。尚、このイオン伝導度の測定に用いたＣＮＣ膜の厚さは２９μｍであった（ただし、イオン伝導度（Ｓ／ｃｍ）は膜厚に依存しない）。イオン伝導度は、温度の上昇と共に大きく上昇した（図１０Ａ）。最も高い伝導度は８０°Ｃにおいて２．０ｍＳ／ｃｍであった。活性化エネルギーは０．２３ｅＶであった（図１０Ｂ）。
この例では、上記の方法で、膜厚の異なる３つのＣＮＣ膜を作製し（３０、４２及び５２μｍ）、それぞれのＣＮＣ膜を用いて３つの燃料電池を作製した。このプロセスにおいて、ＣＮＦ−ＭＥＡに関連して上記した方法で（即ち、触媒インク及びカーボンペーパーを用いて）、それぞれのＣＮＣ膜を用いたＣＮＣ膜電極アセンブリ（ＣＮＣ-ＭＥＡ）を形成した。
そして、上記した方法で各ＣＮＣ−ＭＥＡを用いて燃料電池を作製し、各燃料電池を８０°Ｃに加熱した。水素と空気を１００ｍｌ／分及び９５％のＲＨで流した。その結果、厚さ３０μｍのＣＮＣ膜を用いた燃料電池では、開放電圧は０．８７Ｖであり、最大電力密度は４２．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において１７．２ｍＷ／ｃｍ２であった（図１１）。厚さ４２μｍのＣＮＣ膜を用いた燃料電池では、開放電圧は０．６５Ｖであり、最大電力密度は３２．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において１０．１ｍＷ／ｃｍ２であった。厚さ５２μｍのＣＮＣ膜を用いた燃料電池では、開放電圧は０．８１Ｖであり、最大電力密度は２０．２ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において６．６ｍＷ／ｃｍ２であった。これらの結果は、ＣＮＣ膜が十分なガスバリア特性を示し、かつ電子伝導を生じない限り、ＣＮＣ膜が薄いほどより高い電力密度の燃料電池が得られることを示唆している。このように、例２では、電解質としてＣＮＣ膜を用いた燃料電池が得られた。
（例３：ＣＮＣ-ＣＮＦ複合燃料電池）
例３では、電解質膜としてＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜を用いて燃料電池を作製した。ここで、ＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜は、ＣＮＣとＣＮＦの両方を含む膜である。ＣＮＣスラリーとＣＮＦスラリーの比率を変えて混ぜ合わせることで、ＣＮＣとＣＮＦを様々な比率で含む複合膜を得ることができる。ＣＮＣスラリーとＣＮＦスラリーを混ぜ合わせる以外は、ＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜を作製する工程は、上記したＣＮＦ膜またはＣＮＣ膜を作製する工程と概ね同じであるので、ここでは記載を省略する。例３では、作製した複合膜は２０ｗｔ％のＣＮＣ及び８０ｗｔ％のＣＮＦを含み、約２５μｍの厚さであった。
例３では、電解質膜としてＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜を用いて燃料電池を作製した。ここで、ＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜は、ＣＮＣとＣＮＦの両方を含む膜である。ＣＮＣスラリーとＣＮＦスラリーの比率を変えて混ぜ合わせることで、ＣＮＣとＣＮＦを様々な比率で含む複合膜を得ることができる。ＣＮＣスラリーとＣＮＦスラリーを混ぜ合わせる以外は、ＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜を作製する工程は、上記したＣＮＦ膜またはＣＮＣ膜を作製する工程と概ね同じであるので、ここでは記載を省略する。例３では、作製した複合膜は２０ｗｔ％のＣＮＣ及び８０ｗｔ％のＣＮＦを含み、約２５μｍの厚さであった。
ＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜（２０ｗｔ％ＣＮＣ、８０ｗｔ％ＣＮＦ）のイオン伝導度（プロトン伝導度）を、１００％のＲＨにおいて、３０から１２０°Ｃに渡って測定した。イオン伝導度は、温度の上昇と共に大きく上昇した（図１２Ａ）。最も高い伝導度は９０°Ｃにおいて０．１３ｍＳ／ｃｍであった。活性化エネルギーは０．１８ｅＶであった（図１２Ｂ）。
図１３は、異なる混合比でＣＮＣ及びＣＮＦを含むＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜（詳述すると、８０ｗｔ％ＣＮＣ及び２０ｗｔ％ＣＮＦ、５０ｗｔ％ＣＮＣ及び５０ｗｔ％ＣＮＦ、２０ｗｔ％ＣＮＣ及び８０ｗｔ％ＣＮＦ）のプロトン伝導度を、ＣＮＣ膜及びＣＮＦ膜のプロトン伝導度と共に示すグラフである。図１３には、１００％のＲＨにおけるプロトン伝導度が温度に対して示されている。図１３は、膜内のＣＮＣの含有率が増加するほど伝導度が増加し、純粋なＣＮＣの伝導度に近づいていくことを示している。ＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜では、ＣＮＦの機械的安定性（或いは可撓性）とＣＮＣの高い伝導度が結合される。
この例では、ＣＮＦ−ＭＥＡに関して上記した方法で（即ち、触媒インク及びカーボンペーパーを用いて）、２０ｗｔ％のＣＮＣ及び８０ｗｔ％のＣＮＦを含む厚さ２１μｍのＣＮＣ-ＣＮＦ膜を用いて複合膜電極アセンブリ（複合ＭＥＡ）を作製した。
そして、例１に関連して上記した方法で、作製した複合ＭＥＡを用いて燃料電池を作製し、燃料電池を８０°Ｃに加熱した。水素と空気を１００ｍｌ／分及び９５％のＲＨで流した。その結果、初期には、開放電圧は０．９３Ｖであり、最大電力密度は１２．０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において４．８ｍＷ／ｃｍ２であり、耐久性試験の後（即ち、９ｍＡ／ｃｍ２の一定の電流密度での１４時間の動作の後）においては、開放電圧は概ね変らなかったが、最大電力密度は１７．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において４．５ｍＷ／ｃｍ２となった（図１４）。このように、例３では、電解質としてＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜を用いた燃料電池が得られた。
（例４：スルホン化セルロース燃料電池）
例４では、電解質膜としてスルホン化ＣＮＦ膜を用いて燃料電池を作製した。ここで、スルホン化ＣＮＦ膜では、図１５に模式的に示すように、セルロース分子にスルホン酸基（ＳＯ３Ｈ）が結合している。図１５の上側の化学式では、セルロース分子の環状構造が分断されスルホン酸基が炭素原子に結合している。図１５の下側の化学式では、ヒドロキシメチル基（ＣＨ２ＯＨ）のＯＨがスルホン酸基によって置換されている。尚、これらの化学式はスルホン酸基によるナノセルロースの改質の単なる例であり、スルホン酸基によるナノセルロースの改質には別の可能性もある。例えば、スルホン酸基が炭素原子に直接結合したヒドロキシ基（ＯＨ）またはヒドロキシメチル基を置換することもあり得る。本例では、図１５の上側の化学式の構造を有するセルロースを含むスルホン化ＣＮＦ膜を、ＣＮＦ膜を過ヨウ素酸ナトリウムで処理した後、亜硫酸水素ナトリウムを用いてスルホン化反応を起こすことによって得た。過ヨウ素酸ナトリウムによる酸化工程では、セルロース分子の環状構造が１、２ジオール開裂により分断され、続いてアルデヒドの酸化が生じる。その結果得られる生成物は２、３ジアルデヒドセルロースである。亜硫酸水素ナトリウムを用いたスルホン化工程では、アルデヒド亜硫酸水素アダクション（aldehyde bisulfite adduction）によりスルホン酸基が炭素原子に結合する。得られたスルホン化ＣＮＦ膜は２１μｍの厚さであった。
例４では、電解質膜としてスルホン化ＣＮＦ膜を用いて燃料電池を作製した。ここで、スルホン化ＣＮＦ膜では、図１５に模式的に示すように、セルロース分子にスルホン酸基（ＳＯ３Ｈ）が結合している。図１５の上側の化学式では、セルロース分子の環状構造が分断されスルホン酸基が炭素原子に結合している。図１５の下側の化学式では、ヒドロキシメチル基（ＣＨ２ＯＨ）のＯＨがスルホン酸基によって置換されている。尚、これらの化学式はスルホン酸基によるナノセルロースの改質の単なる例であり、スルホン酸基によるナノセルロースの改質には別の可能性もある。例えば、スルホン酸基が炭素原子に直接結合したヒドロキシ基（ＯＨ）またはヒドロキシメチル基を置換することもあり得る。本例では、図１５の上側の化学式の構造を有するセルロースを含むスルホン化ＣＮＦ膜を、ＣＮＦ膜を過ヨウ素酸ナトリウムで処理した後、亜硫酸水素ナトリウムを用いてスルホン化反応を起こすことによって得た。過ヨウ素酸ナトリウムによる酸化工程では、セルロース分子の環状構造が１、２ジオール開裂により分断され、続いてアルデヒドの酸化が生じる。その結果得られる生成物は２、３ジアルデヒドセルロースである。亜硫酸水素ナトリウムを用いたスルホン化工程では、アルデヒド亜硫酸水素アダクション（aldehyde bisulfite adduction）によりスルホン酸基が炭素原子に結合する。得られたスルホン化ＣＮＦ膜は２１μｍの厚さであった。
図１６は、１００％のＲＨにおいて３０乃至１２０°Ｃで測定したスルホン化ＣＮＦ膜のイオン伝導度（プロトン伝導度）を純粋なＣＮＦ膜と比較して示すグラフである。図１６に示すように、スルホン化ＣＮＦ膜は、７０°Ｃにおいて純粋なＣＮＦ膜に比べて５倍高いイオン伝導度を示した。図１５に模式的に示すようにセルロースに含まれるスルホン酸基はプロトン供給源（proton donator）として働き、それにより、スルホン化セルロースから形成された膜のプロトン伝導度が向上すると考えられる。
この例では、ＣＮＦ−ＭＥＡに関して上記した方法で（即ち、触媒インク及びカーボンペーパーを用いて）、スルホン化ＣＮＦ膜を用いてスルホン化ＣＮＦ膜電極アセンブリ（スルホン化ＣＮＦ−ＭＥＡ）を作製した。
そして、例１に関連して上記した方法で、作製したスルホン化ＣＮＦ−ＭＥＡ（２１μｍ厚）を用いて燃料電池を作製し、燃料電池を８０°Ｃに加熱した。水素と空気を１００ｍｌ／分及び９５％のＲＨで流した。比較として、２０μｍの厚さのＣＮＦ膜を含むＣＮＦ−ＭＥＡも作製し同じ条件で動作させた。図１７に示すように、その結果、スルホン化ＣＮＦ燃料電池の開放電圧は０．７４Ｖであり、最大電力密度は７．０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において２．５ｍＷ／ｃｍ２であった。それに対し、純粋なＣＮＦ燃料電池の開放電圧は０．５８Ｖであり、最大電力密度は２．８ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において０．８９ｍＷ／ｃｍ２であった。このように、例３では、電解質としてＣＮＣ−ＣＮＦ複合膜を用いた燃料電池が得られた。スルホン化燃料電池の電力密度は、純粋なＣＮＦ燃料電池と比べて約３倍高かった。
本発明をその好適な実施形態について説明してきたが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形変更が可能であることは当業者にとって自明である。
例えば、燃料電池の電解質としての用途の他に、本発明に基づくイオン伝導性を有するナノセルロース膜は他の膜利用技術に用いることができる。例えば、ナノセルロース膜は、微生物燃料電池または酵素燃料電池における電解質、固体高分子電解質電解槽のプロトン交換膜（ＰＥＭ）（図１８Ａ）、レドックスフロー電池のイオン交換膜（ＩＥＭ）（図１８Ｂ）、排水処理装置のＩＥＭ（図１８Ｃ）、及び海水淡水化装置のＩＥＭ（図１８Ｄ）として用いることができる。更に、本発明に基づくナノセルロース膜は二次電池、金属空気電池、ガスバリア用途、加湿用途、電気透析処理、バイオ分離処理（bio-separation process）等に用いることができる。
また、上記実施形態では、スルホン酸基（ＳＯ３Ｈ）がセルロース分子に結合することでナノセルロース膜を改質するものとしたが、限定するものではないがホスホノ基（ＰＯ３Ｈ２）或いはカルボキシル基（ＣＯＯＨ）などの他の酸基をスルホン酸基の代わりまたはスルホン酸基に加えて用いてもよい。どの酸基もナノセルロース膜中の自由プロトンの割合を増加させ、ナノセルロース膜のプロトン伝導性を向上させるのに寄与し得る。
また、上記実施形態では、ＣＮＦスラリー、ＣＮＣスラリーまたはその混合物から得られた分散液をポリカーボネートフィルタ上でろ過することによりナノセルロース膜を作製した。しかしながら、ＣＮＦ、ＣＮＣまたはその混合を含む分散液、インクまたは塗料を印刷、流し込み、圧縮またはスプレーすることによりナノセルロース膜を形成することもできる。更に、ナノセルロースに対し、所望に応じて適宜、更なる化学的表面機能化処理を行ってもよい。
１ 燃料電池
２ ナノセルロース膜
３ アノード
４ カソード
５ ガス拡散層
６ ガス拡散層
７ 負荷
２ ナノセルロース膜
３ アノード
４ カソード
５ ガス拡散層
６ ガス拡散層
７ 負荷
Claims (4)
- 電解質膜としてナノセルロース膜を含む燃料電池であって、
前記ナノセルロース膜を構成するヒドロキシメチル基（ＣＨ ２ ＯＨ）のＯＨがスルホン酸基（ＳＯ ３ Ｈ）によって置換された態様で、前記ナノセルロース膜に前記スルホン酸基が直接的に結合していることを特徴とする燃料電池。 - 前記ナノセルロース膜がセルロースナノファイバー、セルロースナノクリスタル、またはセルロースナノファイバーとセルロースナノクリスタルの組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記ナノセルロース膜は１乃至１００μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 電解質膜として用いられるナノセルロース膜であって、前記ナノセルロース膜を構成するヒドロキシメチル基（ＣＨ ２ ＯＨ）のＯＨがスルホン酸基（ＳＯ ３ Ｈ）によって置換された態様で、前記ナノセルロース膜に前記スルホン酸基が直接的に結合していることを特徴とするナノセルロース膜。
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