(57)【要約】【課題】  本発明は、高活性な触媒電極層を有した燃料電池用膜電極複合体を提供することを主目的とするものである。【解決手段】  本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の表面上に形成されてなる触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池用膜電極複合体であって、上記触媒電極層が白金ナノワイヤーを有し、さらに上記白金ナノワイヤーが白金または触媒活性を有する白金合金からなることを特徴とする燃料電池用膜電極複合体を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の表面上に形成されてなる触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池用膜電極複合体であって、前記触媒電極層が白金ナノワイヤーを有し、さらに前記白金ナノワイヤーが白金または触媒活性を有する白金合金からなることを特徴とする燃料電池用膜電極複合体。
【請求項２】
前記白金ナノワイヤーの直径が２ｎｍ〜２０ｎｍであり、かつ前記白金ナノワイヤーの長さが０．５μｍ〜２５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜電極複合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池用膜電極複合体を備える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、燃料電池用膜電極複合体、およびそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池（本発明において単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
このような燃料電池の触媒電極層は、電子伝導を担うカーボン担体、触媒活性を有するＰｔナノ粒子、およびプロトン伝導を担う高分子電解質膜から構成されている。また、触媒電極層における電極反応を効率よく進行させるためには、触媒電極層中の触媒相−燃料ガス相または酸化ガス相−電解質相の三相成分の接触効率が高いこと、すなわち三相界面が良好であることが必要である。このため、触媒そのものの活性を向上することはもちろん、触媒電極層内における反応ガスの拡散、生成したプロトンおよび電子の伝導、ならびに反応により生成した水の排出も充分に行なわれる必要がある。
【０００４】
従来の技術では、例えば特許文献１に示されているように、触媒電極層に撥水性を持つテフロン（登録商標）樹脂微粉末や導電性炭素繊維を添加することによって、ガス拡散を促進する細孔を形成させ、反応により生成した水の排水性を向上させる試みがなされている。しかしながら、テフロン（登録商標）樹脂微粉末は電子導電性、イオン伝導性および触媒活性を有しておらず、また、導電性炭素繊維はイオン伝導性および触媒活性を有していないため、このような嵩高く触媒活性の無い材料を添加しても触媒電極層を厚くするだけであり、反応ガスの拡散や生成した水の排出能向上に有効でなく、空間が有効に活用されていないという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１５３０２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高活性な触媒電極層を有した燃料電池用膜電極複合体を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の表面上に形成されてなる触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池用膜電極複合体であって、上記触媒電極層が白金ナノワイヤーを有し、さらに上記白金ナノワイヤーが白金または触媒活性を有する白金合金からなることを特徴とする燃料電池用膜電極複合体を提供する。
【０００８】
本発明においては、触媒電極層中の上記白金ナノワイヤーが、白金−炭素−ガス拡散層の接触抵抗を減らし、電子伝導の経路を形成し、白金ナノワイヤー表面の効果によりプロトン伝導の経路を形成し得るため、より高活性な触媒電極層を得ることができるという利点を有する。
【０００９】
上記発明においては、上記白金ナノワイヤーの直径が２ｎｍ〜２０ｎｍであり、かつ上記白金ナノワイヤーの長さが０．５μｍ〜２５μｍであることが好ましい。白金ナノワイヤーの直径および長さが上記範囲内にあれば、白金ナノワイヤーは、触媒電極層において充分に所望の効果を発揮することができるからである。
【００１０】
さらに、本発明は、上記燃料電池用膜電極複合体を備えることを特徴とする燃料電池を提供する。上記膜電極複合体を用いることにより、発電性能が向上した燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池用膜電極複合体およびそれを用いた燃料電池において、触媒電極層中の白金ナノワイヤーは、カーボンが細密に充填することを防ぎ、反応ガスの拡散および反応により生成した水の排出を促進する細孔を保つことができる。さらに、白金ナノワイヤーは、それ自身が触媒機能を持ち、電子伝導パスとして働き抵抗成分を減らすことができ、さらに、プロトンが白金ナノワイヤーの表面を移動することによりプロトン伝導に寄与することができる。すなわち、本発明においては、触媒電極層に白金ナノワイヤーを添加することにより、電子伝導性、プロトン伝導性および物質拡散性を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、燃料電池用膜電極複合体、およびそれを用いた燃料電池に関するものである。以下、まず燃料電池用膜電極複合体を説明し、次いで燃料電池について説明する。
【００１３】
Ａ．燃料電池用膜電極複合体
本発明の燃料電池用膜電極複合体は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の表面上に形成されてなる触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池用膜電極複合体であって、上記触媒電極層が白金ナノワイヤーを有し、さらに上記白金ナノワイヤーが白金または触媒活性を有する白金合金からなることを特徴とするものである。
【００１４】
このような本発明の燃料電池用膜電極複合体について図を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本発明の燃料電池用膜電極複合体は、固体電解質膜１と、固体電解質膜１の両側に形成されてなる触媒電極層２を少なくとも備えるものであり、触媒電極層２は白金ナノワイヤー３を有している。本発明においては、白金ナノワイヤー３が電子伝導性、プロトン伝導性および物質拡散性を向上させている。
【００１５】
以下、本発明の燃料電池用膜電極複合体を構成する部材について詳細に説明する。まず触媒電極層を説明し、次に固体電解質膜を説明する。
【００１６】
１．触媒電極層
本発明に用いられる触媒電極層は、白金ナノワイヤーを有することを特徴とするものである。以下、触媒電極層を構成する各成分について詳細に説明する。
【００１７】
（１）白金ナノワイヤー
本発明に用いられる白金ナノワイヤーは、白金または触媒活性を有する白金合金からなることを特徴とするものである。本発明において触媒活性とは、一般的な燃料電池に使用される白金ナノ粒子等が示す触媒活性と同様のものである。
【００１８】
また、本発明に用いられる白金ナノワイヤーの直径は、２ｎｍ〜２０ｎｍであることが好ましく、特に５ｎｍ〜１５ｎｍであることが好ましい。さらに、白金ナノワイヤーの長さは、０．５μｍ〜２５μｍであることが好ましく、特に１０μｍ〜２０μｍであることが好ましい。白金ナノワイヤーの直径および長さが上記範囲内にあれば、白金ナノワイヤーは、触媒電極層において充分に所望の効果を発揮することができるからである。
また、本発明において、触媒電極層に含まれる白金ナノワイヤーは、一本であっても、束状であっても良いが、使用する触媒量の観点から、一本であることが好ましい。
【００１９】
また、上記触媒電極層において、白金ナノワイヤーの添加量は、本発明の所望する効果を発揮することができる限り特に限定されるものではないが、例えば、触媒電極層中のカーボンブラック重量に対して、１ｗｔ％〜３０ｗｔ％であることが好ましく、５ｗｔ％〜１５ｗｔ％であることがさらに好ましい。白金ナノワイヤーの添加量が上記範囲に満たないと触媒の量が充分でなく、発電反応が効率的に行なわれない可能性があり、逆に白金ナノワイヤーの添加量が上記範囲を超えると、触媒の使用量が増加してコストの増加につながる可能性があるからである。
【００２０】
次に本発明に用いられる白金ナノワイヤーの製造方法を説明する。
上記白金ナノワイヤーの製造方法は、上述した条件を満たす白金ナノワイヤーを得ることができる限り特に限定されるものではないが、例えば有機−無機ハイブリッドメソ細孔シリカ等を鋳型として、内部に金属化合物を導入し光還元反応によって合成する方法等を挙げることができる。
なお、白金ナノワイヤーの合成方法に関しては、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，Ｖｏｌ．１０８，Ｎｏ．３，２００４やＪ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００１，１２３，３３７３−３３７４に詳しい。
【００２１】
（２）カーボンブラック
本発明に用いられるカーボンブラックは特に限定されるものではなく、燃料電池の触媒電極層に一般的に用いられているカーボンブラックを用いることができる。本発明においては、導電性や空隙率の観点からカーボンブラックの粒子径は１０ｎｍ〜５０ｎｍ、中でも、１０ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましく、凝集せず、高比表面積のカーボンブラックが好ましい。このようなカーボンブラックの製造方法は特に限定されるものではなく、一般的な方法により製造することができる。
【００２２】
（３）電解質材料
本発明に用いられる電解質材料は特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池の固体電解質膜に用いられる電解質材料を用いることができる。用いることができる電解質材料の例としては、パーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Ｎａｆｉｏｎ、デュポン株式会社製）のようなフッ素系の樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミドなどの炭化水素系の樹脂等を挙げることができる。
【００２３】
２．固体電解質膜
本発明に用いられる固体電解質膜は、イオン（プロトン）透過性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。現在汎用されている材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＴＭ、デュポン株式会社製）等のフッ素系樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂等を挙げることができる。
【００２４】
３．燃料電池用膜電極複合体の製造方法
本発明の燃料電池用膜電極複合体は、固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されているものである。本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法は特に限定されるものではなく、一般に用いられる方法により製造することができる。例えば、基材上に触媒電極層形成用塗工液を塗布し、固化させて触媒電極層を形成し、それを別途に形成された固体電解質膜上に転写する方法、固体電解質膜上に触媒電極層形成用塗工液をスプレー法等により塗布し、固化させて触媒電極層を形成する方法等により製造することができる。この際に用いられる触媒電極層形成用塗工液としては、例えば、上記部材を水とエタノール等のアルコールとの混合溶液に均一に分散させた触媒電極層形成用塗工液等を挙げることができる。
【００２５】
Ｂ．燃料電池
次に、本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、上記燃料電池用膜電極複合体を用いたことを特徴とするものである。上述したような優れた発電性能を示す燃料電池用膜電極複合を用いて燃料電池を形成することにより、燃料電池の発電性能を向上することができる。
【００２６】
本発明の燃料電池の最小発電単位である単位セルは、上述した燃料電池用膜電極複合を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されており、さらに、その外側にはセパレータが配されている。上記セパレータは、上記ガス拡散層を介して燃料電池用膜電極複合の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【００２７】
このような燃料電池を構成する燃料電池用膜電極複合については、上述した「Ａ．燃料電池用膜電極複合体」と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、本発明に用いられる拡散層およびセパレータとしては、通常燃料電池に用いられているものを用いることができ、具体的にはガス拡散層としては、カーボン繊維等を成型して形成したものが好適に用いられ、セパレータはカーボンタイプのもの、金属タイプのもの等を用いることができる。
【００２８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の燃料電池用膜電極複合体を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  …  固体電解質膜
２  …  触媒電極層
３  …  白金ナノワイヤー
【図１】
2006059697.tif 000003