(57)【要約】【課題】  電極と固体高分子電解質膜の密着性が向上し、それを用いた燃料電池が効率よく発電することができる電極電解質膜接合体の製造方法を提供する。【解決手段】  電極電解質膜接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜４と電極２，３との間に設けた固体高分子電解質を接着層５，６として、水あるいは水溶液にあらかじめ浸漬あるいは暴露した状態で接合する工程を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面側に設けられ、電極基体に触媒層を含む電極とを有する電極電解質膜接合体において、
前記固体高分子電解質膜と、前記電極との間の少なくとも一方に、固体高分子電解質からなる接着層を備えていることを特徴とする電極電解質膜接合体。
【請求項２】
請求項1に記載の電極電解質膜接合体において、前記触媒層は、触媒を担持したナノカーボンを含むことを特徴とする電極電解質膜接合体。
【請求項３】
固体高分子電解質膜と少なくとも一方の電極との間に設けた固体高分子電解質を、溶液にあらかじめ浸漬あるいは暴露した状態で接合する工程を有することを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の電極電解質膜接合体の製造方法において、前記接合する工程は前記電極と前記固体電解質膜とを熱圧着することを含むことを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の電極電解質膜接合体の製造方法において、前記溶液は水またはアルコール水溶液であることを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の電極電解質膜接合体の製造方法において、前記アルコール水溶液はメタノールを含むことを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法。
【請求項７】
請求項３乃至６の内のいずれか１項に記載の電極電解質接合体の製造方法において、前記電極として、電極基体に触媒層を含むもの用いることを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法。
【請求項８】
請求項３乃至７の内のいずれか一項に記載の電極電解質膜接合体の製造方法によって製造され、前記電極の内の少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜とが前記固体高分子電解質からなる接着層を介して接合されていることを特徴とする電極電解質膜接合体。
【請求項９】
請求項１，２及び７のいずれか一項に記載の電極電解質膜接合体を一対のセパレータ間に保持したことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極電解質膜接合体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものであり、新たな電気エネルギー供給源として注目されている。
【０００３】
燃料電池の電極構造は、燃料極用集電体、燃料極、固体高分子電解質膜、酸化剤極、及び酸化剤極用集電体を順次積層した５層構造になっており、燃料極に水素またはメタノールなどの燃料、酸化剤極に酸素を供給し、電気化学反応により発電する。
【０００４】
例えば、ダイレクトメタノール燃料電池の各電極では次の化１式のような電気化学反応が生じている。
【０００５】
【化１】
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【０００６】
燃料極および酸化剤極には、触媒金属が担持された炭素粒子と固体高分子電解質との混合体が用いられ、一般的にこの混合体は、燃料のガスの拡散層となるカーボンペーパーなどの電極基体上に塗布されて構成される。これら２つの電極により、固体高分子電解質膜を挟み、熱圧着することにより燃料電池が構成される。
【０００７】
この従来技術の構成の燃料電池において、燃料極に供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、電子を放出してプロトンと二酸化炭素となり、二酸化炭素は電極中の細孔を通過して排出される。放出された電子は燃料極内の炭素粒子および固体高分子電解質を通って外部回路へ導きだされ、外部回路より酸化剤極に流れ込む。
【０００８】
一方、燃料極において発生した水素イオンは、燃料極中の固体高分子電解質および両電極間に挟まれた固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸化剤極に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と反応して上記反応式に示すように水を生じる。この結果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が流れ、電力が取り出される。
【０００９】
上記のような構成の燃料電池の特性を向上させるためには、電極と固体高分子電解質膜との界面の密着性が良好であることが重要である。界面の密着性が不良であるとプロトンの伝導性が低下して電気抵抗が上昇し、電池効率の低下をもたらす原因となる。
【００１０】
上記の電極と固体高分子電解質膜の密着性を上げる目的で、電極と固体高分子電解質膜の間に固体高分子電解質あるいは触媒の含有する固体高分子電解質を塗布し、接着層を形成することが提案されている（特許文献１及び２参照）。
【００１１】
【特許文献１】特許第３６０８５６４号
【特許文献２】特許第３６０８５６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、接着層を形成しただけで電極電解質接合体を熱圧着で製造する方法では、電極と固体高分子電解質膜の接着が不十分で、燃料電池発電中に両者が剥離するという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明の技術的課題は、以上の問題を解決した電極電解質膜接合体と、その製造方法と、それを用いた燃料電池とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面側に設けられ、電極基体に触媒層を含む電極とを有する電極電解質膜接合体において、前記固体高分子電解質膜と、前記電極との間の少なくとも一方に、固体高分子電解質からなる接着層を備えていることを特徴とする電極電解質膜接合体が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記電極電解質膜接合体において、前記触媒層は、触媒を担持したカーボンナノホーンを含むことを特徴とする電極電解質膜接合体が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、固体高分子電解質膜と電極との間に設けた固体高分子電解質を、溶液にあらかじめ浸漬あるいは暴露した状態で接合する工程を有することを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記電極電解質膜接合体の製造方法において、前記接合する工程は前記電極と前記固体電解質膜とを熱圧着することを含むことを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記いずれかの電極電解質膜接合体の製造方法において、前記溶液は水またはアルコール水溶液であることを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記電極電解質膜接合体の製造方法において、前記溶アルコール水溶液はメタノールを含むことを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記いずれか１項の電極電解質接合体の製造方法において、前記電極として、電極基体に触媒層を含むもの用いることを特徴とする電極電解質膜接合体の製造方法が得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの電極電解質膜接合体の製造方法によって製造され、前記電極と前記固体高分子電解質膜とが前記固体高分子電解質からなる接着層を介して接合されていることを特徴とする電極電解質膜接合体が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記いずれかの電極電解質膜接合体を一対のセパレータ間に保持したことを特徴とする燃料電池が得られる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、電極と固体高分子電解質膜の間に形成された固体高分子電解質接着層をあらかじめ水またはメタノール水溶液に浸漬し、固体高分子電解質を膨潤させてから、電極と固体高分子電解質膜を熱圧着することにより、電極と電解質膜の接合界面の密着性を向上させることができる電極電解質膜接合体と、その製造方法とそれを一対のセパレータ間に保持することで、触媒特性、導電特性およびプロトン伝導特性に優れ、効率良く発電できる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る燃料電池の構造の一例を模式的に表した断面図である。図１を参照すると、電極―固体高分子電解質膜接合体１は、燃料極２、酸化剤極３、固体高分子電解質膜４、燃料極２と固体高分子電解質膜４の接着層５、及び酸化剤極３と固体高分子電解質膜４の接着層６を備えて構成される。ここで、本発明では、燃料極２と固体高分子電解質膜４の接着層５、酸化剤極３と固体高分子電解質膜４の接着層６とをあわせて接着層と呼ぶ。
【００２６】
本発明に係る接着層は、燃料極２と固体高分子電解質膜４の接着層５、及び酸化剤極３と固体高分子電解質膜４の接着層６の内の少なくとも一方に用いられる。
【００２７】
燃料極２は基体７および触媒層８を備えて構成され、触媒層８は、固体高分子電解質４を備えている。基体７は、カーボンペーパー、カーボン成形体、カーボン焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔質基体を用いることができるが、燃料ガス透過性、拡散性があるならば、導電性材料のどのようなものでも良い。
【００２８】
また、触媒層８の触媒を担持する材料としては、カーボン粒子、例えば、グラフェン、フラーレン、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどのナノカーボンや、グラファイト粒子などの炭素粒子であるならばよい。また、担持される触媒としては、白金、ルテニウム、金、レニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、銀などの貴金属、ニッケル、コバルト、などの鉄以外の鉄族金属、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどの希土類またはアルカリ土類元素の１種または、これらの合金などを用いることができる。
【００２９】
一方、酸化剤極３は基体９および固体高分子電解質４を含む触媒層１０を備えて構成される。触媒層１０は、固体高分子電解質４を含む。基体９は、上記基体と同様な材料でよい。また、触媒層１０も上記触媒層８と同様な材料で良い。
【００３０】
単数または複数の触媒電極―固体高分子電解質膜接合体１が、燃料極側セパレータ１１および酸化剤極側セパレータ１２を介して電気的に接続される。
【００３１】
本発明では、上記の電極２、３と固体高分子電解質膜４の間に形成された固体高分子電解質接着層５、６をあらかじめ溶液に浸漬し、固体高分子電解質を膨潤させてから、電極２、３と固体高分子電解質膜４を熱圧着することにより、固体高分子電解質接着層５，６の固体高分子電解質４が電極２，３あるいは固体高分子電解質膜４に入り込み、電極２，３と固体高分子電解質膜の接合界面の密着性が向上した電極電解質接合体を製造することができる。
【００３２】
電極２，３と固体高分子電解質膜４の間に形成する固体高分子電解質接着層５、６は、固体高分子電解質のみでもよく、固体高分子電解質以外の成分として、触媒金属や導電粒子を含んでいてもよい。また、固体高分子電解質はフッ素を含有するものでも、フッ素を含有しないものでもよく、溶液は、水またはアルコール水溶液等の膨潤するものであればよく、メタノール水溶液がより好ましい。
【００３３】
以上の説明の通り、本発明の実施の形態においては、固体高分子電解質接着層をあらかじめ水またはメタノール水溶液に浸漬し、固体高分子電解質を膨潤させてから、電極と固体高分子電解質膜を熱圧着することにより、接着層の固体高分子電解質が電極あるいは固体高分子電解質膜に入り込み、電極と電解質膜の接合界面の密着性を飛躍的に向上させることができる、作製された電極電解質接合体を使用した燃料電池は、触媒特性、導電特性およびプロトン伝導特性に優れ、効率良く発電できる。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例を示し、さらに詳しく本発明について例示、説明する。ただし、以下の例によって本発明が限定されるものではない。
【００３５】
（実施例）
デュポン社製５％ナフィオン（登録商標）溶液を刷毛塗り法で固体高分子電解質膜４の両表面に塗布し、固体高分子電解質接着層５、６を作製した。この固体高分子電解質膜および接着層をメタノール５０％水溶液に２時間浸漬し、固体高分子電解質膜および接着層を膨潤させた。
【００３６】
カーボンナノホーンのＰｔ担持触媒にデュポン社製５％ナフィオン溶液を加え混練して作製したカーボンナノホーン触媒ペーストを塗布し、１４０℃で乾燥し、燃料電池用触媒電極を作製した。この電極を上記の膨潤させた状態の接着層を含む固体高分子電解質膜の両面に圧着してＭＥＡ（電極電解質膜接合体）を作製した。該ＭＥＡを用いて直接メタノール型燃料電池のセルを作製し、４０℃の温度下で電池特性を測定した。結果を図２に示す。
【００３７】
（比較例）
実施例で作製した固体電解質膜および接着層を乾燥したまま使用した。それ以外は実施例と同様にしてＭＥＡを作製し、電池特性を評価した。結果を図２に示す。
【００３８】
図２に示すように、従来の製造方法で作製したＭＥＡ（比較例）は電池出力が１２ｍＷ／ｃｍ２であったのに対して、接着層をメタノール５０％水溶液で膨潤させたもの（実施例）は２９ｍＷ／ｃｍ２で電池出力が向上することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上の説明の通り、本発明に係る電極電解質膜接合体の製造方法は、燃料電池の電解質膜接合体として、最適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る燃料電池の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】従来の方法で作製された乾燥状態の接着層を用いたＭＥＡと、本発明に係る接着層をメタノール５０％水溶液で膨潤させたものを用いたＭＥＡの出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    電極―固体高分子電解質膜接合体
２    燃料極
３    酸化剤極
４    固体高分子電解質膜
５    燃料極と電解質膜の接着層
６    酸化剤極と電解質膜の接着層
７    基体
８    触媒層
９    基体
１０  触媒層
１１  燃料極側セパレータ
１２  酸化剤極側セパレータ
【図１】
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【図２】
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